Silná interakce

Silná interakce či silná jaderná síla je jednou ze čtyř základních interakcí ve fyzice. Je zodpovědná za stabilitu hadronů, mezi které patří i neutrony a protony. Je zprostředkována pomocí gluonů a působí pouze mezi částicemi, které jsou schopné nést barevný náboj, což jsou mezi elementárními částicemi pouze kvarky a samotné gluony.^[2] Nepřímo je také zodpovědná za stabilitu atomových jader, v tomto kontextu se ale mluví o jaderné síle. Silnou interakcí se zabývá obor kvantová chromodynamika.

Feynmanovy diagramy ukazující všechny možnosti gluonových interakcí: a) vyzáření/pohlcení gluonu, b) rozpad gluonu c) ,d) vzájemné interakce mezi gluony (pouze interakce mezi třemi nebo čtyřmi najednou).^[1]

Podstata jaderné síly v jádrech atomů: výměna pionu mezi protonem a neutronem.

Barevný náboj může nabývat celkem tří hodnot, kvůli tomu jsou také neutrony a protony složeny právě se tří kvarků. Více možných hodnot náboje dává celkem osm různých druhů gluonů. Gluonové pole se chová podobně jako elektromagnetické pole tvořené fotony, ale s tím významným rozdílem, že gluony (naproti fotonům) jsou schopné interagovat spolu navzájem. Zjednodušeně je možno si představit působení silné interakce jako působení osmi kopií elektromagnetického pole, jehož jednotlivé komponenty spolu navzájem interagují. Interakce mezi těmito osmi poli je popisována Gell-Mannovými maticemi.

Právě samointerakce gluonů je důvodem, proč je teoretické i experimentální studium silné interakce tak náročné. Silná interakce totiž neumožňuje teoretické studium při nízkých energiích, a proto je třeba při zkoumání vnitřní struktury hadronů využívat urychlovačů. Důvodem je, že při vysokých energiích se zmenšuje interakční konstanta silné interakce, čímž se výrazně omezuje vliv samointerakce v gluonovém poli. Tento jev se nazývá asymptotická volnost^[3][4]

Samointerakce gluonového pole způsobuje, že dosah silné interakce je omezený na vzdálenosti kolem ${\displaystyle 10^{-15}}$ metru. Zároveň je příčinou takzvaného barevného uvěznění, což je heuristický poznatek, který tvrdí, že barevný náboj se nikdy nevyskytuje samostatně, a tedy že všechny složené částice musí mít celkový barevný náboj nula.^[5]

Síla mezi nukleony

Silná interakce způsobuje soudržnost mezi kvarky uvnitř jednotlivých nukleonů, ale přímo nepůsobí přitahování mezi nukleony, protože ty nenesou barevný náboj. Síla mezi nukleony je způsobena jadernou silou, která je tak zodpovědná za stabilitu jader atomů. Tuto interakci nepřenášejí gluony, ale složené částice piony. Jaderná síla je sice důsledkem silné interakce, ale jejich zprostředkující částice i vlastnosti se liší, a proto se tyto dvě terminologicky rozlišují.

Piony mají nenulovou hmotnost, kvůli čemuž má jaderná síla omezený dosah.^{[pozn. 1]} Tím se liší od gluonů, které díky nulové klidové hmotnosti v principu mohou působit na dálku, ale při nízkých energiích jejich dosah omezují vzájemné interakce.

Matematický popis

Stejně jako slabá a elektromagnetická interakce lze silnou interakci popsat pomocí symetrie, která ji generuje. Touto symetrií je pro silnou interakci v jistém smyslu invariance vlnové funkce kvarků vůči působení ${\displaystyle SU(3)}$, což je grupa komplexních matic o rozměrech ${\displaystyle 3\times 3}$, které jsou unitární a zároveň jejich determinant je roven 1. Jedná se o grupu matic popisující rotace v 3D prostoru. Tato grupa není abelovská, což je důvod, proč jsou připuštěny sebeinterakce.