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. Esta forza é a responsable de manter unidos aos nucleóns (protóns e neutróns) que coexisten no núcleo atómico, vencendo á repulsión electromagnética entre os protóns que posúen carga eléctrica do mesmo signo (positiva) e facendo que os neutróns, que non teñen carga eléctrica, permanezan unidos entre si e tamén aos protóns.

Interacción nuclear forte
Unha animación da forte interacción entre un protón e un neutrón, mediada por pións. Os pequenos círculos dobres coloreados do interior son gluóns .
Instancia de interaccións fundamentais  Subclase de interacción de partículas elementais
Identificadores Freebase /m/06z2b OpenAlex C96537103
Fontes e ligazóns  Descrito pola fonte Enciclopedia Soviética Armenia
Wikidata C:Commons

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

É a maior forza existente en todo o universo, non existe unha forza equiparable coa interacción nuclear forte; pois esta é a que dá a existencia de todo o universo en conxunto ademais da interacción nuclear débil, o electromagnetismo e a gravidade.

Os efectos desta forza só se aprecian a distancias moi pequenas, do tamaño dos núcleos atómicos, e non se perciben a distancias maiores a 1 femtómetro (fm) (1 femtómetro, lixeiramente máis que o radio dun nucleón). Esta característica coñecese como de curto alcance, en contraposición coas de longo alcance como a gravidade ou a interacción electromagnética, que son estritamente de alcance infinito.

A maior parte da masa dun protón ou neutrón é o resultado da enerxía de interacción forte; os quarks individuais só achegan ao redor do 1 % da masa dun protón. No rango de 10⁻¹⁵ m, a forza forte é aproximadamente 100 veces máis forte que o electromagnetismo, 10⁶ veces máis forte que a interacción débil e 10³⁸ veces máis forte que a gravidade.^[1]

A forza nuclear forte ten un alcance de arredor dun femtómetro (ás veces chamado fermi na honra de Enrico Fermi), uns 10^-15 metreo,^[2] 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.^[3][4]

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.^[3] A forza forte de unión entre dous quark polo intercambio de gluóns é equivalente a uns 1,6·10³ N.^[5]

Cadro explicativo das 4 forzas fundamentais.

Núcleo dun átomo de helio. Os dous protóns teñen a mesma carga, pero aínda permanecen xuntos debido á forza nuclear residual.

No contexto dos núcleos atómicos, a forza une aos protons e neutróns para formar un núcleo e denomínase forza nuclear (ou forza forte residual).^[6] Debido a que a forza está mediada por mesóns masivos e de curta duración a esta escala, a interacción forte residual obedece a un comportamento dependente da distancia entre nucleóns que é moi diferente ao que se dá cando actúa para unir quarks dentro dos hadróns. Tamén hai diferenzas nas enerxías de enlace da forza nuclear con respecto á fusión nuclear fronte á fisión nuclear. A fusión nuclear é responsable da maior parte da produción de enerxía no Sol e outras estrelas. A fisión nuclear permite a desintegración de elementos radioactivos e isótopos, aínda que a miúdo está mediada pola interacción débil. Artificialmente, a enerxía asociada á forza nuclear libérase parcialmente na enerxía nuclear e nas armas nucleares, tanto nas armas de fisión baseadas en uranio ou plutonio como nas armas de fusión, como a bomba de hidróxeno.^[7][8]

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.^[9]

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.

Estado actual da teoría de interaccións fortes

A descrición teórica de interaccións fortes é unha das áreas máis desenvolvidas e ao mesmo tempo de rápido desenvolvemento da física teórica de partículas elementais. A pesar de que se comprende a natureza fundamental das interaccións fortes (a interacción de cor entre quarks e gluóns, descrita pola cromodinámica cuántica), as leis matemáticas que a expresan son moi complexas e, por tanto, en moitos casos específicos, os cálculos a partir de primeiros principios son aínda imposible. Como resultado, xorde unha imaxe ecléctica: xunto a cálculos matematicamente rigorosos, enfoques semicuantitativos baseados na mecánica cuántica, intuicións, que, con todo, describen perfectamente os datos experimentais.^[10]

Esbocemos a estrutura xeral da teoría moderna de interaccións fortes: En primeiro lugar, a cromodinámica cuántica é a base da teoría das interaccións fortes. Nesta teoría, os graos fundamentais de liberdade son os quarks e gluóns, coñécese o lagrangiano da súa interacción. Os enfoques para describir interaccións fortes dependen esencialmente do tipo de obxecto que se estea estudando. Pódense distinguir os seguintes grupos principais:

• As reaccións hadrónicas duras, nas que os quarks e gluóns xogan o papel principal e que están ben descritos pola teoría da perturbación en QCD (Cromodinámica cuántica) ;
• As reaccións semirríxidas, nas que para unha descrición razoable é necesario ter en conta un número infinito de termos da serie da teoría de perturbacións, e en certos casos límites isto pódese facer.
• As reaccións hadrónicas de baixa enerxía (suaves), nas que os estados ligados dos quarks (hadróns) convértense en graos de liberdade máis razoables e estúdanse as leis de interacción.
• As propiedades estáticas dos hadróns, nas que, dependendo do caso específico, pódense utilizar diferentes enfoques.

Introdución

Unha animación do confinamento de cor, unha propiedade da interacción forte. Se se fornece enerxía aos quarks como se mostra, o tubo de gluóns que conecta os quarks alárgase até alcanzar un punto no que "rompe" e a enerxía engadida ao sistema dá lugar á formación dun par quark-antiquark. Polo tanto, os quarks individuais nunca se ven illados.

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".

Interacción pion-nucleón

Interacción pión-nucleón e o seu modelo de quark máis simple

A necesidade de introducir o concepto de interaccións fortes xurdiu na década de 1930, cando quedou claro que nin o fenómeno gravitacional nin o fenómeno da interacción electromagnética podían responder á pregunta de que une aos nucleones nos núcleos. En 1935, o físico xaponés H. Yukawa construíu a primeira teoría cuantitativa da interacción que orixina o intercambio de nucleones por novas partículas que agora se coñecen como mesóns pi (ou pións ). As pionías descubríronse posteriormente de forma experimental en 1947.

Nesta "teoría pion-nucleón", a atracción ou repulsión de dous nucleóns describíase como a emisión dun pion por un nucleón e a súa posterior absorción por outro nucleón (por analogía coa interacción electromagnética, que se describe como o intercambio dun fotón virtual). Esta teoría describiu con éxito unha ampla gama de fenómenos en colisións nucleón-nucleón e estados ligados, así como en colisións de pións con nucleóns. O coeficiente numérico, que determina a "eficiencia da emisión do pion, resultou ser moi grande (en comparación co coeficiente análogo para a interacción electromagnética), o que determina a «forza» da interacción forte.^{[11][12][13][14]}

Unha consecuencia da interacción pión-nucleón entre nucleóns é a presenza dun compoñente de intercambio nas forzas nucleares, xunto coas forzas habituais (forzas de Wigner, que xorden como resultado do intercambio de pións neutrais). Se o estado de dous nucleóns que interactúan depende das súas coordenadas espaciais e do espín, entón hai tres formas diferentes de devandito intercambio:^[15]

• Os nucleóns intercambian coordenadas espaciais con variables de espín constantes. As forzas causadas por tal intercambio denomínanse forzas de Majorana (intercambio de pións cargados mentres se mantén o xiro dos nucleóns);
• Os nucleóns intercambian variables de espín en coordenadas espaciais constantes. As forzas entre nucleóns que xorden deste método de intercambio denomínanse forza de Bartlett (intercambio de pións neutrais);
• Os nucleóns intercambian coordenadas espaciais e de espín simultaneamente. As forzas de intercambio resultantes denomínanse forza de Heisenberg (intercambio de pións cargados cun cambio no xiro dos nucleóns).

Ademais, as forzas nucleares dependen das coordenadas de carga e teñen un compoñente tensorial.

O operador de enerxía potencial na descrición fenomenolóxica da interacción nuclear de dous nucleóns a baixas enerxías ten a forma:

${\displaystyle V({\vec {r_{1}}},{\vec {r_{2}}},{\hat {\sigma _{1}}},{\hat {\sigma _{2}}},{\hat {\tau _{1}}},{\hat {\tau _{2}}})=U_{1}({\vec {r}})+U_{2}({\vec {r}})({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})+U_{3}({\vec {r}})S_{12}+({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})\left\{U_{4}({\vec {r}})+U_{5}({\vec {r}})({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})+U_{6}({\vec {r}})S_{12}\right\}}$,

onde ${\displaystyle r=r_{1}-r_{2}}$, ${\displaystyle {\vec {r_{1}}},{\vec {r_{2}}}}$ son coordenadas espaciais ${\displaystyle {\hat {\sigma _{1}}},{\hat {\sigma _{2}}}}$ son operadores Pauli e ${\displaystyle {\hat {\tau _{1}}},{\hat {\tau _{2}}}}$ son operadores de espín isotópico.

As forzas de Majorana (intercambio de coordenadas espaciais) corresponden ao termo con ${\displaystyle ({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})}$ as forzas de Bartlett (intercambio de variables de espín) corresponden ao termo con ${\displaystyle ({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})}$, as forzas de Heisenberg (intercambio de variables espaciais e de espín) corresponden ao termo con ${\displaystyle ({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})}$... Ademais, o operador ${\displaystyle S_{12}}$ ten en conta a interacción tensorial, ${\displaystyle ({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})S_{12}}$ é a interacción de intercambio tensorial.

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 gluón. 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.

Carga de cor

Os quarks, antiquarks e os gluóns son as únicas partículas fundamentais que conteñen carga de cor non nula, e que por tanto participan nas interaccións fortes. Os gluóns, partículas portadoras da forza nuclear forte, que manteñen unidos aos quarks para formar outras partículas, como se explicou, tamén teñen carga de cor e por tanto poden interaccionar entre si. Un efecto que derivaría disto é a existencia teórica de agrupacións de gluóns (glubolas). Os quarks poden presentar seis tipos de carga: vermella, azul, verde, antivermella, antiazul e antiverde. As cargas antivermella, antiazul e antiverde están relacionadas coas correspondentes vermella, azul e verde de maneira similar a como o están as cargas eléctricas negativas e positivas. Os gluóns pola súa banda teñen un tipo de carga máis complexo, a súa carga sempre é a combinación dunha cor ou un anticolor diferente (por exemplo, pódese ter un gluón vermello-antiazul ou un gluón verde-antivermello, etc.)

Forza nuclear forte como forza residual

A forza que fai que os constituíntes do núcleo dun átomo permanezan unidos está asociado á interacción nuclear forte. Aínda que hoxe en día sabemos que esta forza que mantén unidos a protóns e neutróns no núcleo é unha forza residual da interacción entre os quarks e os gluóns que compoñen devanditas partículas (up e down). Sería similar ao efecto das forzas de enlace que aparecen entre os átomos para formar as moléculas, fronte á interacción eléctrica entre as cargas eléctricas que forman eses átomos (protóns e electróns), pero a súa natureza é totalmente distinta.

^{Antes da cromodinámica cuántica considerábase que esta forza residual que mantiña unidos os protóns do núcleo era a esencia da interacción nuclear forte, aínda que hoxe en día se asume que a forza que une os protóns é un efecto secundario da forza de cor entre quarks, polo que as interaccións entre quarks considéranse un reflexo máis fundamental da forza forte.}

A forza nuclear forte entre nucleóns realízase mediante pións, que son bosóns máxicos, e por esa razón esta forza ten tan curto alcance. Cada neutrón ou protón pode «emitir» e «absorber» pións cargados ou neutros, a emisión de pións cargados comporta a transmutación dun protón en neutrón ou viceversa (de feito en termos de quarks esta interacción débese á creación dun par quark-antiquark, o pion cargado non será máis que un estado ligado dun dos quarks orixinais e máis un quark ou antiquark dos que se acaban de crear). A emisión ou absorción de pións cargados responden a algunha das dúas interaccións seguintes:

${\displaystyle p^{+}+n^{0}\to (n^{0}+\pi ^{+})+n^{0}\to n^{0}+(\pi ^{+}+n^{0})\to n^{0}+p^{+}}$

${\displaystyle n^{0}+p^{+}\to (p^{+}+\pi ^{-})+p^{+}\to p^{+}+(\pi ^{-}+p^{+})\to p^{+}+n^{0}}$

Na primeira reacción anterior un protón emite inicialmente un pión positivo converténdose nun neutrón, o pion positivo é reabsorbido por un neutrón converténdose nun protón, o efecto neto dese intercambio é unha forza atractiva. Na segunda, un neutrón emite un pion negativo e convértese nun protón, o pion negativo ao ser reabsorbido por outro protón dá lugar a un neutrón. Desde un punto de vista semiclásico o campo de pións pódese aproximar mediante un potencial de Yukawa:

${\displaystyle V(r)=-{\frac {g_{s}}{4\pi r}}e^{-{\frac {mrc}{\hbar }}}}$

Onde:

${\displaystyle g_{s}\,}$, é a constante de axuste que dá a intensidade da forza efectiva.

${\displaystyle m\,}$, é a masa do pión intercambiado.

${\displaystyle r\,}$, é a distancia entre nucleóns.

${\displaystyle c,\hbar \,}$, son a velocidade da luz e a constante de Planck racionalizada.

Polo que a moi pequenas distancias a interacción decae aproximadamente segundo a inversa do cadrado, con todo, a distancias da orde do núcleo atómico predomina o decrecemento exponencial, polo que a distancias superiores ás atómicas o efecto dos pións é practicamente imperceptible.

Interaccións fortes en reaccións de alta enerxía

Hai unha serie de procesos de colisión de hadróns de alta enerxía , nos que non hai unha escala dura, polo que o cálculo da teoría de perturbacións no marco da cromodinámica cuántica xa non é confiable. Entre estas reaccións atópanse as seccións transversais de colisión total de hadróns, a dispersión elástica dos hadróns en ángulos pequenos e os procesos de difracción. Desde o punto de vista da cinemática, en tales reaccións, só a enerxía total das partículas en colisión no seu marco de repouso é suficientemente grande, pero non o momento transferido.

Desde a década de 1960, as principais propiedades de tales reaccións foron descritas con éxito mediante un enfoque fenomenolóxico baseado na teoría de Regge. Non marco desta teoría, a dispersión de hadróns de alta enerxía producidos debido ao intercambio dalgúns obxectos compostos: reggeóns. O reggeon máis importante nesta teoría é o pomerón, o único reggeón cuxa contribución á sección transversal de dispersión non diminúe coa enerxía.

Na década de 1970, resultou que moitas dás propiedades dos reggeóns poden derivarse dá cromodinámica cuántica. O enfoque correspondente en cromodinámica cuántica chámase o enfoque Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov ( BFKL ).