Interacción nuclear forte

Os quarks interactúan dentro dun neutrón debido á interacción nuclear forte.

En física de partículas, a interacción nuclear forte, tamén chamada forza forte, forza nuclear forte ou interacción forte é un dos catro tipos de forzas fundamentais que o modelo estándar da Física establece para explicar o universo. As outras tres son a gravidade, o electromagnetismo e a interacción nuclear feble. A escala atómica, é unhas 100 veces máis forte que o electromagnetismo, que á súa vez é varias ordes de magnitude máis forte que a forza nuclear feble e a gravidade.

A forza nuclear forte actúa sobre todos os hadróns, mesóns e barións, as partículas compostas formadas por quarks e antiquarks. A interacción desta forza é levada por uns bosóns chamados gluóns, de xeito equivalente á forza electromagnética que é levada polos fotóns. Esta forza é a responsable de que os quarks se manteñan unidos para formar os barións (como os protóns ou os neutróns) e os mesóns (como os pións ou os kaóns), e tamén é a responsable de que os protóns e os neutróns se manteñan unidos ó núcleo.^[1] A forza forte de unión entre dous quark polo intercambio de gluóns é equivalente a uns 1,6·10³ N.^[2]

A forza nuclear forte ten un alcance de arredor dun femtómetro (ás veces chamado fermi na honra de Enrico Fermi), uns 10^-15 metreo,^[3] e debe ser forte abondo como para contrarrestar a intensa forza repulsiva que hai entre os protóns; a enerxía da forza nuclear forte entre dous protóns é da orde de MeV (megaelectrón-volt). A forza nuclear forte non está afectada pola carga eléctrica das partículas: afecta por igual protóns e neutróns. A teoría que explica esta forza é a cromodinámica cuántica (QCD do inglés quantum chromodynamics), que foi proposta en 1973 por Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler e Murray Gell-Mann.^[1][4]

Historia

Antes da década de 1970, os físicos non sabían de certo cal era o mecanismo que mantiña unido o núcleo atómico. Sabíase que o núcleo estaba formado por protóns e neutróns e que os protóns ioñan unha carga eléctrica positiva mentres que os neutróns eran electricamente neutros. Porén, estes feitos semellaban contradicirse. Segundo o coñecemento da física aceptado daquela, as cargas positivas debían repelerse entre elas e, polo tanto, o núcleo tiña que chegar a romper. Pero isto non se ollaba nunca, e polo tanto, era preciso unha nova física que explicase este fenómeno.

Máis tarde, descubriuse que os protóns e os neutróns non eran partículas fundamentais, senón que eran formados por outras partículas máis pequenas chamadas quarks. A forte atracción que había entre os nucleóns era o efecto secundario dunha forza máis fundamental que mantiña unidos os quarks dentro dos protóns e os neutróns. A teoría da cromodinámica cuántica explica que os quarks levan o que se chama carga de cor, malia que o nome non teña relación coas cores visibles.^[5]

Os quarks con diferente carga de cor atráense entre si como resultado da interacción forte, que se transmite mediante uns bosóns, unhas partículas chamadas gluóns.

Introdución

Forzas no núcleo atómico

Antes da década de 1970, supoñíase que o protón e o neutrón eran partículas fundamentais. Deste xeito, a expresión forza forte ou forza nuclear forte referíase ó que hoxe en día se chama forza nuclear ou forza forte residual. Esta forza forte residual é a responsable da cohesión do núcleo e hoxe en día interprétase como o campo de forza asociado a pións emitidos por protóns, neutróns e outros hadróns (xa sexan barións ou mesóns). De acordo coa cromodinámica cuántica, a existencia deste campo de pións que mantén unido o núcleo atómico é só un efecto residual da verdadeira forza forte que actúa sobre os compoñentes internos dos hadróns, os quarks. As forzas que manteñen unidos os quarks son moito máis fortes que as que manteñen unidos neutróns e protóns. De feito, as forzas entre quarks son debidas ós gluóns e son tan fortes que producen o chamado confinamento de cor que imposibilita observar quarks nus a temperaturas ordinarias, mentres que en núcleos pesados se que é posible separar algúns protóns ou neutróns por fisión nuclear ou bombardeo con partículas rápidas do núcleo atómico.

Historicamente, a forza nuclear forte postulouse de maneira teórica para compensar as forzas electromagnéticas repulsivas que se sabía que existían no interior do núcleo, ó descubrir que este estaba composto por protóns de carga eléctrica positiva e neutróns de carga eléctrica nula. Postulouse tamén que o seu alcance non podía ser máis grande que o mesmo radio do núcleo xa que outros núcleos achegados non a sentisen, xa que se tivese un alcance maior todos os núcleos do universo terían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear. Por esta razón, denominouse naquela época forza forte. O modelo de Yukawa (1935) explicaba satisfactoriamente moitos aspectos da forza nuclear forte ou forza forte residual.

Modelo de quarks

Estrutura de quarks dun protón.

Tralo descubrimento dunha gran cantidade de hadróns que non parecían desempeñar ningún papel fundamental na constitución dos núcleos atómicos, cuñouse a expresión zoolóxico de partículas, dada a salvaxe profusión de diferentes tipos de partículas cunha existencia que non se entendía ben.

Moitas destas partículas parecían interactuar mediante un tipo de interacción semellante á forza forte, polo que se buscaron esquemas para comprender esa diversidade de partículas. Un modelo postulado para explicar a existencia de toda a gran variedade de barións e mesóns foi o modelo de quarks de 1963. Este modelo postulaba que os hadróns e os mesóns atopados experimentalmente eran de feito combinacións de quarks máis elementais. Posteriormente experimentos a máis altas enerxías amosaron que os propios barións non parecían ser elementais e parecían constituídos de partes que se mantiñan unidas entre si por algún tipo de interacción mal comprendida. Eses descubrimentos finalmente puideron ser interpretados de xeito natural en termos de quarks.

A aceptación dos quarks como constituíntes dos hadróns permitiu reducir a variedade contida no zoolóxico de partículas a un número de constituíntes elementais moito máis reducido, mais abriu o problema de como eses constituíntes máis elementais se unían entre si para formar neutróns, protóns e ouros hadróns. Dado que esa forza tiña que ser moi intensa e comezou a usarse a expresión "forza forte" ou "interacción forte" no canto de "forza nuclear forte" xa que a interacción forte aparecía en contextos diferentes do núcleo atómico. Os intentos teóricos por comprender as interaccións entre quarks conduciron á cromodinámica cuántica unha teoría da forza forte que describe a interacción dos quarks cun campo de gluóns, que é o que forma realmente os protóns e neutróns (que definitivamente deixaron de ser considerados como partículas elementais). Durante algún tempo despois denominouse "forza forte residual" á que anteriormente se chamara "forza forte", chamando a nova interacción forte "forza de cor".

Cromodinámica cuántica

Actualmente a interacción forte considérase que queda ben explicada pola cromodinámica cuántica (en inglés Quantum Chromodynamics, QCD). A cromodinámica cuántica é unha teoría que forma parte do modelo estándar da física de partículas e matematicamente é unha teoría gauge non abeliana baseada nun grupo de simetría interna (gauge) baseada no grupo SU(3). De acordo con esta teoría a dinámica dos quarks vén dada por un lagrangiano que é invariante baixo transformacións do grupo SU(3), esa invariancia polo teorema de Noether leva aparellada a existencia de magnitudes conservadas ou leis de conservación especiais. Concretamente a invariancia dese lagrangiano baixo SU(3) implica a existencia de certas cargas de cor, en certo xeito análogas á conservación da carga eléctrica (que vai asociada á invariancia baixo o grupo U(1)). A cromodinámica cuántica describe polo tanto a interacción de obxectos que posúe carga de cor, e como a existencia desas cargas de cor comporta a existencia dun campo gauge asociado (campo de gluóns) que define como interactúan esas partículas con carga de cor.

A cromodinámica cuántica como teoría gauge implica que para que haxa invariancia gauge local, debe existir un campo asociado á simetría, que é o campo de glúon. Os quarks, portadores de carga de cor, interaccionan entre eles intercambiando gluóns, que é o que provoca que estean ligados uns aos outros. Á súa vez os propios gluóns teñen carga de cor polo que interactúan á súa vez entre eles. Ademais, a cromodinámica cuántica explica que existan dous tipos de hadróns: os barións (formados por tres quarks cada un con cargas de cor diferentes) e os mesóns (formados por dous quarks conxugados entre si con cargas de cor opostas). Todos os hadróns, formados por quarks, interaccionan entre si mediante a forza forte (aínda que poden interactuar debilmente, electromagneticamente e gravitatoriamente). A intensidade da interacción forte vén dada por unha constante de acoplamento característica, moito máis grande que as asociadas a interacción electromagnética e gravitatoria. Polo tanto a cromodinámica cuántica, explica tanto a cohesión do núcleo atómico como a integridade dos hadróns mediante unha da "forza asociada á cor" de quarks e antiquarks. Aos quarks e antiquarks, ademais das outras características atribuídas ao resto de partículas, asíngaselles unha característica nova, a "carga de cor" e a interacción forte entre eles transmítese mediante outras partículas, chamadas gluóns. Estes gluóns don electricamente neutros, mais teñen carga de cor e por iso tamén están sometidos á forza forte. A forza entre partículas con carga de cor é moi forte, moito máis que a electromagnética ou a gravitatoria, a tal punto que se presenta confinamento de cor.

Notas

1. Weak Interaction Studies by Precision Experiments in Nuclear Beta Decay, Nathal Severijns, Instituut voor Kern- en Stralingsfysica, Katholieke Universiteit Leuven. Páx. 342.
2. Stuart-Cunningham, Aspen (2023-12-12). "What’s so hard about measuring the strong force? | symmetry magazine". www.symmetrymagazine.org (en inglés). Consultado o 2023-12-31. 
3. Yahoo Answers (ed.). "What is the maximum distance for the action of the strong nuclear force?" (en inglés). Arquivado dende o orixinal o 26 de xuño de 2015. Consultado o 20 de xuño de 2013. 
4. Facts about Harald Fritzsch: quantum chromodynamics, as discussed in quantum chromodynamics, Enciclopaedia Britannica
5. Feynman 1985, p. 136.

Véxase tamén

Outros artigos

• Física nuclear

Bibliografía

• Christman, J. R.; Project PHYSNET (2001). Michigan State University, ed. "The Strong Interaction" (pdf). MISN-0-280 (en inglés). East Lansing. Consultado o 20 de xuño de 2013. 
• Fritzsch, H (1983). Quarks: The Stuff of Matter (en inglés). Basic Books. ISBN 978-0465067817. 
• Feynman, R.P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter (en inglés). Princeton University Press. ISBN 0-691-08388-6. The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color,' which has nothing to do with color in the normal sense. (Os idiotas dos físicos, incapaces de utilizar calquera das marabillosas palabras gregas, chaman a este tipo de polarización co desafortunat nome de 'cor', que non ten nda que ver coa cor no senso normal.) .
• Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4. 
• Halzen, Francis; Martin, Alan D. (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-88741-2. 
• Kane, Gordon L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 
• Leutwyler, H. (2012). University of Bern, ed. "H. Leutwyler – Bern On the history of the strong interaction" (PDF). International School of Subnuclear Physics (en inglés). Erice. Consultado o 20 de xuño de 2013. 
• Morris, Richard (2003). The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Washington, D.C.: Joseph Henry Press. ISBN 0-309-50593-3. 
• Parker, B (1993). Overcoming some of the problems (en inglés). 

---

Este artigo sobre física é, polo de agora, só un bosquexo. Traballa nel para axudar a contribuír a que a Galipedia mellore e medre.  Existen igualmente outros artigos relacionados con este tema nos que tamén podes contribuír.

---