Interaición nuclear fuerte

Interaición nuclear fuerte
	interaición fundamental
	elementary particle interaction (en)

La interacción nuclear fuerte ye una de los cuatro interacciones fundamentales que'l modelu estándar de la física de partícules establez pa esplicar les fuercies ente les partícules conocíes. Esta fuercia ye la responsable de caltener xuníos a los nucleones (protones y neutrones) que coesisten nel nucleu atómicu, venciendo a la repulsión electromagnética ente los protones que tienen carga llétrica del mesmu signu (positiva) y faciendo que los neutrones, que nun tienen carga llétrica, permanezan xuníos ente sigo y tamién a los protones.

Los efeutos d'esta fuercia namái s'aprecien a distancies bien pequeñes, del tamañu de los nucleos atómicos, y nun se perciben a distancies mayores a 1 fm. A esta carauterística conocer como de curtiu algame, en contraposición coles de llargu algame como la gravedá o la interacción electromagnética, que son puramente d'algame infinitu.

Introducción

Fuercies nel nucleu atómicu

Antes de la década del 1970 suponíase que'l protón y el neutrón yeren partícules fundamentales. Entós la espresión fuercia fuerte o fuercia nuclear fuerte referir a lo qu'anguaño se denomina fuercia nuclear o fuercia fuerte residual. Esa fuercia fuerte residual ye la responsable de la cohesión del nucleu y anguaño interprétase como'l campu de fuercia acomuñaos a piones emitíos por protones, neutrones y demás hadrones (yá seyan bariones o mesones). Acordies cola cromodinámica cuántica, la esistencia d'esi campu de piones que caltién xuníu'l nucleu atómicu ye namái un efeutu residual de la verdadera fuercia fuerte qu'actúa sobre los componentes internos de los hadrones, los quarks. Les fuercies que caltienen xuníos los quarks son muncho más fuertes que les que caltienen xuníos a neutrones y protones. De fechu les fuercies ente quarks son debíes a los gluones y son tan fuertes que producen el llamáu confinamientu del color que imposibilita reparar quarks desnudos a temperatures ordinaries, ente qu'en nucleos pesaos sí ye posible dixebrar dellos protones o neutrones por fisión nuclear o bombardéu con partícules rápides del nucleu atómicu.

Históricamente la fuercia nuclear fuerte postular de forma teórica pa compensar les fuercies electromagnétiques repulsivas que se sabía qu'esistíen nel interior del nucleu al afayar qu'esti taba compuestu por protones de carga llétrica positiva y neutrones de carga llétrica nula. Postulóse tamién que'l so algame nun podía ser mayor que'l mesmu radio del nucleu por qu'otros nucleu cercanos nun lu sintieren, yá que si tuviera un algame mayor tolos nucleos del universu colapsaríense pa formar un gran conglomeráu de masa nuclear. Por esa razón denominar entós daquella fuercia fuerte. El modelu de Yukawa (1935) esplicaba satisfactoriamente munchos aspeutos de la fuercia nuclear fuerte o fuercia fuerte residual.

Modelu de quarks

Estructura de quarks d'un protón.

Tres el descubrimientu d'una gran cantidá de hadrones que nun paecíen desempeñar nengún papel fundamental na constitución de los nucleos atómicos, acuñóse la espresión zoolóxicu de partícules, dada'l selvaxe mapa de distintos tipos de partícules que la so esistencia non entender bien.

Munches d'estes partícules paecíen interactuar por aciu un tipu d'interacción similar a encomalo fuerte, polo que se buscaron esquemes pa entender dicha diversidá de partícules. Un modelu postuláu pa esplicar la esistencia de tola gran variedá de bariones y mesones foi'l modelu de quarks de 1963. Esti modelu postulaba que los hadrones y mesones atopaos esperimentalmente yeren de fechu combinaciones de quarks más elementales. Darréu esperimentos a más altes enerxíes amosaron que los mesmos bariones nun paecíen ser elementales y paecíen constituyíos de partes que se calteníen xuníes ente sigo por dalgún tipu d'interacción mal entendíu. Esos descubrimientos finalmente pudieron ser interpretaos de manera natural en términos de quarks.

L'aceptación de los quarks como constituyentes de los hadrones dexó amenorgar la variedá contenida nel zoolóxicu de partícules a un númberu de constituyentes elementales muncho más amenorgáu, pero abrió'l problema de cómo esos constituyentes más elementales xunir ente sigo pa formar neutrones, protones y otros hadrones. Puesto que esa fuercia tenía que ser bien intensa y empezó a usase'l términu "fuercia fuerte" o "interacción fuerte" en llugar de "fuercia nuclear fuerte" una y bones la interacción fuerte apaecía en contestos distintos del nucleu atómicu. Los intentos teóricos por entender les interacciones ente quarks conducieron a la cromodinámica cuántica una teoría para de la fuercia fuerte que describe la interacción de los quarks con un campu de gluones, que ye lo que forma realmente los protones y neutrones (que definitivamente dexaron de ser consideraos como partícules elementales). Mientres dalgún tiempu dempués denominóse fuercia fuerte residual a la qu'enantes se llamó fuercia fuerte, llamando a la nueva interacción fuerte fuercia de color.

Cromodinámica cuántica

Anguaño la interacción fuerte considérase que queda bien esplicada pola cromodinámica cuántica (les sos sigles n'inglés son QCD de Quantum Chromodynamics). La cromodinámica cuántica ye una teoría que forma parte del modelu estándar de la física de partícules y matemáticamente ye una teoría gauge non abeliana basada nun grupu de simetría interna (gauge) basada nel grupu EL SO(3). Acordies con esta teoría la dinámica de los quarks vien dada por un lagrangiano que ye invariante so tresformamientos del grupu EL SO(3), esa invariancia pol teorema de Noether lleva apareyada la esistencia de magnitúes calteníes o lleis de caltenimientu especiales. Concretamente la invariancia d'esi lagrangiano soL SO(3) implica la esistencia de ciertes cargues de color, en ciertu mou análogues al caltenimientu de la carga llétrica (que va acomuñada a la invariancia sol grupu O(1)). La cromodinámica cuántica describe por tanto la interacción d'oxetos que tien carga de color, y cómo la esistencia d'eses cargues de color porta la esistencia d'un campu gauge asociáu (campu de gluones) que define cómo interactúan diches partícules con carga de color.

La cromodinámica cuántica como teoría gauge implica que por qu'haya invariancia gauge local, tien d'esistir un campu acomuñáu a la simetría, que ye'l campu de gluones. Los quarks, portadores de carga de color, interaccionan ente ellos intercambiando gluones, que ye lo que provoca que tean amestaos unos a otros. De la mesma los mesmos gluones tienen carga de color polo que interactúan de la mesma ente ellos. Amás, la cromodinámica cuántica esplica qu'esistan dos tipos de hadrones: los bariones (formaos por trés quarks cada unu con cargues de color distintos) y los mesones(formaos por dos quarks conxugaos ente sigo con cargues de color opuestes). Tolos hadrones, formaos por quarks, interaccionan ente sigo por aciu la fuercia fuerte (anque pueden interactuar sele, electromagnéticamente y gravitatoriamente). La intensidá de la interacción fuerte vien dada por una constante d'acoplamientu carauterística, enforma mayor que les asociaes a interacción electromagnética y gravitatoria. Por tanto la cromodinámica cuántica, esplica tantu la cohesión del nucleu atómicu como la integridá de los hadrones por aciu una de la "fuercia acomuñada al color" de quarks y antiquarks. A los quarks y antiquarks, amás de les otres carauterístiques atribuyíes al restu de partícules, asígnase-yos una carauterística nueva, la "carga de color" y l'interacción fuerte ente ellos tresmítese por aciu otres partícules, llamaes gluones. Estos gluones son llétricamente neutros, pero tienen "carga de color" y por ello tamién tán sometíos a encomalo fuerte. La fuercia ente partícules con carga de color ye bien fuerte, muncho más que la electromagnética o la gravitatoria, a tal puntu que se presenta confinamientu de color.

Carga de color

Los quarks, antiquarks y los gluones son les úniques partícules fundamentales que contienen carga de color non nula, y que polo tanto participen nes interacciones fuertes. Los gluones, partícules portadores de la fuercia nuclear fuerte, que caltienen xuníos a los quarks pa formar otres partícules, como s'esplicó, tamién tienen carga de color y por tanto pueden interaccionar ente sigo. Un efeutu que derivaría d'esto ye la esistencia teórica d'agrupaciones de gluones (gluboles). Los quarks pueden presentar seis tipos de carga: colloráu, azul, verde, antirojo, antiazul y antiverde. Les cargues antiroja, antiazul y antiverde tán rellacionaes coles correspondientes colorada, azul y verde de manera similar a como lo tán les cargues llétriques negatives y positives. Los gluones pela so parte tienen un tipu de carga más complexu, la so carga siempres ye la combinación d'un color o un anticolor distintu (por casu, puede tenese un gluón coloráu-antiazul o un gluón verde-antirojo, etc.)

Fuercia nuclear fuerte como fuercia residual

La fuercia que fai que los constituyentes del nucleu d'un átomu permanezan xuníos ta acomuñáu a la interacción nuclear fuerte. Anque anguaño sabemos qu'esta fuercia que caltién xuníos a protones y neutrones nel nucleu ye una fuercia residual de la interacción ente los quarks y los gluones que componen diches partícules (up y down). Sería similar al efeuto de les fuercies d'enllaz qu'apaecen ente los átomos pa formar les molécules, frente a la interacción llétrica ente les cargues llétriques que formen esos átomos (protones y electrones), pero la so naturaleza ye totalmente distinta.

Antes de la cromodinámica cuántica considerábase qu'esta fuercia residual que caltenía xuníos los protones del nucleu yera la esencia de la interacción nuclear fuerte, anque anguaño asumir que la fuercia que xune los protones ye un efeutu secundariu de la fuercia de color ente quarks, polo que les interacciones ente quarks considérense un reflexu más fundamental de la fuercia fuerte.

La fuercia nuclear fuerte ente nucleones realizar por aciu piones, que son bosones másicos, y por esa razón esta fuercia tien tan curtiu algame. Cada neutrón o protón puede "emitir" y "absorber" piones cargaos o neutros, la emisión de piones cargaos porta la transmutación d'un protón en neutrón o viceversa (de fechu en términos de quarks esta interacción deber a la creación d'un par quark-antiquark, el pión cargáu nun va ser más qu'un estáu amestáu d'unu de los quarks orixinales y más un quark o antiquark de los que s'acaben de crear). La emisión o absorción de piones cargaos respuenden a dalguna de los dos interacciones siguientes:

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

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

Na primer reacción anterior un protón emite primeramente un pión positivu convirtiéndose nun neutrón, el pión positivu ye reabsorbido por un neutrón convirtiéndose nun protón, l'efeutu netu d'esi intercambiu ye una fuercia curioso. Na segunda, un neutrón emite un pión negativu y conviértese nun protón, el pión negativu al ser reabsorbido por otru protón da llugar a un neutrón. Dende un puntu de vista semiclásico el campu de piones puede averase por aciu un potencial de Yukawa:

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

Onde:

g_{s}\,

, ye la constante de acopliamiento que da la intensidá de la fuercia efeutivo.

m\,

, ye la masa del pión intercambiáu.

r\,

, ye la distancia ente nucleones.

c,\hbar \,

, son la velocidá de la lluz y la constante de Planck racionalizada.

Polo qu'a bien pequeñes distancies la interacción aparra aproximao según la inversa del cuadráu, sicasí, a distancies del orde del nucleu atómicu predomina'l decrecimiento esponencial, polo qu'a distancies cimeres a les atómiques l'efeutu de los piones ye práuticamente imperceptible.

Ver tamién

Referencies

Enllaces esternos

MISN-0-280: La interacción fuerte por J.R. Christman para Project PHYSNET (n'inglés).

Interaición nuclear fuerte
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