Força nuclear forta

En física de partícules, la força nuclear forta, també anomenada força forta, interacció nuclear forta o interacció forta és una de les quatre forces fonamentals de l'Univers. Les altres tres són la gravitació, l'electromagnetisme i la força nuclear feble. A escala atòmica, és unes 100 vegades més forta que l'electromagnetisme, que al seu torn és diversos ordres de magnitud més fort que la força nuclear feble i la gravitació.

La força nuclear forta actua sobre tots els hadrons, mesons i barions, les partícules compostes formades per quarks i antiquarks. La interacció d'aquesta força és portada per uns bosons anomenats gluons, de manera equivalent a la força electromagnètica que és portada pels fotons. Aquesta força és la responsable de que els quarks es mantinguin units per formar els barions (com els protons o els neutrons) i els mesons (com els pions o els kaons), i també és la responsable de que els protons is els neutrons es mantinguin units al nucli. La força nuclear forta té un abast al voltant d'un femtòmetre (de vegades anomenat fermi en honor d'Enrico Fermi), uns 10^-15 metres, i ha de ser prou forta com per contrarestar la intensa força repulsiva que hi ha entre els protons, l'energia de la força nuclear forta entre dos protons és de l'ordre de MeV (megaelectró volt). La força nuclear forta no és afectada per la càrrega elèctrica de les partícules, afectant per igual a protons i neutrons. La teoria que explica aquesta força és la cromodinàmica quàntica (QCD de l'anglès quantum chromodynamics), que va ser proposada el 1973 per Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler i Murray Gell-Mann.

Història

Abans de la dècada del 1970, els físics no sabien de cert quin era el mecanisme que mantenia unit el nucli atòmic. Se sabia que el nucli estava format per protons i neutrons i que els protons tenien una càrrega elèctrica positiva mentre que els neutrons eren elèctricament neutres. No obstant això, aquests fets semblaven contradir-se. Segons el coneixement de la física acceptat en aquell moment, les càrregues positives s'havien de repel·lir entre si i, per tant, el nucli s'havia d'arribar a trencar. Però això no s'observava mai. I, per tant, calia una nova física per explicar aquest fenomen.

Més tard es va descobrir que els protons i els neutrons no eren partícules fonamentals, sinó que es eren formats per altres partícules més petites anomenats quarks. La forta atracció que havia entre els nucleons era l'efecte secundari d'una força més fonamental que mantenia units els quarks dins els protons i els neutrons. La teoria de la cromodinàmica quàntica explica que els quarks porten el que s'anomena càrrega de color, tot i que malgrat el nom no hi ha cap relació amb els colors visibles. Els quarks amb diferent càrrega de color s'atreuen entre si com a resultat de la interacció forta, que es transmet a través d'uns bosons, unes partícules anomenades gluons.

Principis

La teoria que descriu la interacció forta és la cromodinàmica quàntica, també coneguda pel seu acrònim anglès QCD (Quantum ChromoDynamics), que forma part del model estàndard de la física de partícules. Segons aquesta teoria, cada quark porta una càrrega de color que pot ser de tres tipus: blava, verda o vermella. Aquests colors són només uns noms que identifiquen cada tipus de càrrega, sense que hi hagi cap amb els colors en el seu sentit habitual. Per la seva banda, els antiquarks porten una càrrega antiblava (també rep el nom de groga, verd + vermell), antiverda (també anomenada magenta, blau + vermell) o antivermella (també anomenada cian, blau + verd). Un hadró només pot existir si el color de la seva càrrega total és neutre o blanc, el que seria un singlet de color. Un mesó es composa d'un parell quark-antiquark que només pot ser una combinació simètrica de blau-antiblau, verd-antiverd o vermell-antivermell. De la mateixa manera un barió estarà format per tres quarks, o tres antiquarks, auran de portar un color diferent blau, verd i vermell o antiblau, antiverd i antivermell, de manera que la suma dels tres colors serà neutra.

Els gluons, que són els intermediaris de la interacció forta, porten al mateix temps un color i un anticolor, per exemple, blau-antivermell o bé verd-antiblau. Hi ha nou possibilitats de combinació de color i anticolor però només hi ha vuit gluons a causa de raons matemàtiques derivades de la simetria de Gauge SU(3), que és la base de la cromodinàmica quàntica, la combinació lineal blau-antiblau + verd-antiverd + vermell-antivermell és completament neutra i no correspon a cap gluó. La interacció d'un gluó amb un quark pot modificar el color del quark: un gluó blau-antivermell absorbit per un quark vermell el transformà en un quark blau; o un quark verd podria emetre un gluó verd-antivermell i esdevindria vermell. Una conseqüència d'aquest mecanisme és que la càrrega de color d'un quark canviarà de manera contínua per intercanvi de gluons amb els seus veïns, però la càrrega total d'un sistema de partícules aïllat es conservarà al llarg del temps. El parell quark-antiquark d'un mesó passa constantment de vermell-antivermell a verd-antiverd, per intercanvi d'un gluó vermell-antiverd, o a blau-antiblau, etc. Només la suma dels colors és neutra.

Una característica particular de la interacció forta és que també actua sobre les seves partícules mediadores, és a dir, els gluons, actuant sobre la seva càrrega de color. Per exemple, un gluó verd-antivermell pot absorbir un gluó blau-antiverd per esdevenir un de blau-antivermell. Aquest fenomen és marginal en el cas de les altres interaccions fonamentals: el fotó, per exemple, no està carregat elèctricament (de fet la interacció feble presenta una característica semblant amb la càrrega dels W⁺ i W^–, però les conseqüències d'aquesta interacció són negligibles). Per a la interacció forta aquesta característica comporta que el seu radi d'acció sigui de molt curt abast, de l'ordre del diàmetre d'un hadró (~ 1 fm). Una altra conseqüència és que la força entre dos quarks és gairebé constant, a diferència d'altres interaccions on la força disminueix de manera inversament proporcional al quadrat de la distància, en el cas de la interacció forta el comportament és el contrari i la força augmenta a mesura que s'incrementa la distància. Per tant, si intentem de separar dos quarks, s'haurà d'esmerçar un quantitat d'energia que s'anirà incrementant a mesura que augmenti la distància. En un moment donat s'haurà proporcionat prou energia per a crear nous quarks o antiquarks que s'uniran als quarks inicial per a crear nous hadrons.

Això explica el fet de que no podem observar un únic quark, qualsevol intent d'aïllar un quark (o un gluó) conduirà a la creació de nous quarks que formaran un hadró amb el primer quark. Aquest fenomen s'anomena confinament dels quarks. Paral·lelament a això, dos quarks són molt a prop pràcticament no interaccionen i els podem considerar lliures (com els dos extrems d'una molla en repòs) és el que s'anomena llibertat asimptòtica, descoberta l'any 1973 de manera independent per David Gross i Frank Wilczek per una banda i David Politzer de l'altra, i que els va valdre el Premi Nobel de Física del 2004. L'any 2000 el CERN va presentar proves d'un nou estat de la matèria, el plasma quark-gluó, que hauria existit una desena de microsegons abans del Big Bang, en aquest estat els quarks i els gluons serien en un estat completament lliure sense formar partícules més complexes.

Interacció forta residual

L'efecte residual de la força forta és el que anomenem la força nuclear. Aquesta força nuclear actua entre els hadrons, com el nucleons del nucli atòmic. Aquesta força forta residual, actuant indirectament, transmet els gluons que formen part dels pions i els mesons ro virtuals, que al seu torn, transmeten la força nuclear entre els nucleons.

La força forta residual és un residu menor de la força forta que uneix els quarks en protons i neutrons. Aquesta mateixa força és molt més feble entre els neutrons i els protons, perquè és sobretot neutralitzada dins d'ells, de la mateixa manera que les forces electromagnètiques entre àtoms neutres (forces de van der Waals) són molt més febles que les forces electromagnètiques que mantenen els àtoms internament units.

A diferència de la força forta en si mateixa, la força nuclear o força forta residual, disminueix en intensitat, i molt, amb la distància. La disminució és aproximadament com una potència exponencial negativa de la distància, encara que no hi ha una expressió simple coneguda per expressar-ho, vegeu potencial de Yukawa. Aquest fet, juntament amb el descens menys ràpid de la força electromagnètica entre els protons amb la distància, provoca la inestabilitat dels grans nuclis atòmics, com tots aquells amb un nombre atòmic més gran de 82.

Vegeu també

• Constant d'acoblament
• Model estàndard de física de partícules
• Teoria quàntica de camps
• Gravetat
• Àtom mesònic

Bibliografia

• Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons, 1987. 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. Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books, 1987. ISBN 0-201-11749-5. 
• Morris, Richard. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Washington, D.C.: Joseph Henry Press, 2003. ISBN 0-309-50593-3.