Interacción nuclear fuerte
La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales que el modelo estándar de la física de partículas establece para explicar las fuerzas entre las partículas conocidas. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
Los efectos de esta fuerza solo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se la conoce como de corto alcance, en contraposición con las de largo alcance como la gravedad o la interacción electromagnética, que son estrictamente de alcance infinito.
Antes de la década del 1970 se suponía que el protón y el neutrón eran partículas fundamentales. Entonces la expresión fuerza fuerte o fuerza nuclear fuerte se refería a lo que hoy en día se denomina fuerza nuclear o fuerza fuerte residual. Esa fuerza fuerte residual es la responsable de la cohesión del núcleo y hoy en día se interpreta como el campo de fuerza asociados a piones emitidos por protones, neutrones y demás hadrones (ya sean bariones o mesones). De acuerdo con la cromodinámica cuántica, la existencia de ese campo de piones que mantiene unido el núcleo atómico es solo un efecto residual de la verdadera fuerza fuerte que actúa sobre los componentes internos de los hadrones, los quarks. Las fuerzas que mantienen unidos los quarks son mucho más fuertes que las que mantienen unidos a neutrones y protones. De hecho las fuerzas entre quarks son debidas a los gluones y son tan fuertes que producen el llamado confinamiento del color que imposibilita observar quarks desnudos a temperaturas ordinarias, mientras que en núcleos pesados sí es posible separar algunos protones o neutrones por fisión nuclear o bombardeo con partículas rápidas del núcleo atómico.
Históricamente la fuerza nuclear fuerte se postuló de forma teórica para compensar las fuerzas electromagnéticas repulsivas que se sabía que existían en el interior del núcleo al descubrir que este estaba compuesto por protones de carga eléctrica positiva y neutrones de carga eléctrica nula. Se postuló también que su alcance no podía ser mayor que el propio radio del núcleo para que otros núcleos cercanos no la sintieran, ya que si tuviera un alcance mayor todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear. Por esa razón se la denominó en aquel entonces fuerza fuerte. El modelo de Yukawa (1935) explicaba satisfactoriamente muchos aspectos de la fuerza nuclear fuerte o fuerza fuerte residual.
Tras el descubrimiento de una gran cantidad de hadrones que no parecían desempeñar ningún papel fundamental en la constitución de los núcleos atómicos, se acuñó la expresión zoológico de partículas, dada la salvaje profusión de diferentes tipos de partículas cuya existencia no se entendía bien.
Muchas de estas partículas parecían interactuar mediante un tipo de interacción similar a la fuerza fuerte, por lo que se buscaron esquemas para comprender dicha diversidad de partículas. Un modelo postulado para explicar la existencia de toda la gran variedad de bariones y mesones fue el modelo de quarks de 1963. Este modelo postulaba que los hadrones y mesones encontrados experimentalmente eran de hecho combinaciones de quarks más elementales. Posteriormente experimentos a más altas energías mostraron que los propios bariones no parecían ser elementales y parecían constituidos de partes que se mantenían unidas entre sí por algún tipo de interacción mal comprendida. Esos descubrimientos finalmente pudieron ser interpretados de manera natural en términos de quarks.
La aceptación de los quarks como constituyentes de los hadrones permitió reducir la variedad contenida en el zoológico de partículas a un número de constituyentes elementales mucho más reducido, pero abrió el problema de cómo esos constituyentes más elementales se unían entre sí para formar neutrones, protones y otros hadrones. Dado que esa fuerza tenía que ser muy intensa y empezó a usarse el término "fuerza fuerte" o "interacción fuerte" en lugar de "fuerza nuclear fuerte" ya que la interacción fuerte aparecía en contextos diferentes del núcleo atómico. Los intentos teóricos por comprender las interacciones entre quarks condujeron a la cromodinámica cuántica una teoría para de la fuerza fuerte que describe la interacción de los quarks con un campo de gluones, que es lo que forma realmente los protones y neutrones (que definitivamente dejaron de ser considerados como partículas elementales). Durante algún tiempo después se denominó fuerza fuerte residual a la que anteriormente se había llamado fuerza fuerte, llamando a la nueva interacción fuerte fuerza de color.
Actualmente la interacción fuerte se considera que queda bien explicada por la cromodinámica cuántica (sus siglas en inglés son QCD de Quantum Chromodynamics). La cromodinámica cuántica es una teoría que forma parte del modelo estándar de la física de partículas y matemáticamente es una teoría gauge no abeliana basada en un grupo de simetría interna (gauge) basada en el grupo SU(3). De acuerdo con esta teoría la dinámica de los quarks viene dada por un lagrangiano que es invariante bajo transformaciones del grupo SU(3), esa invariancia por el teorema de Noether lleva aparejada la existencia de magnitudes conservadas o leyes de conservación especiales. Concretamente la invariancia de ese lagrangiano bajo SU(3) implica la existencia de ciertas cargas de color, en cierto modo análogas a la conservación de la carga eléctrica (que va asociada a la invariancia bajo el grupo U(1)). La cromodinámica cuántica describe por tanto la interacción de objetos que posee carga de color, y cómo la existencia de esas cargas de color comporta la existencia de un campo gauge asociado (campo de gluones) que define cómo interactúan dichas partículas con carga de color.
La cromodinámica cuántica como teoría gauge implica que para que haya invariancia gauge local, debe existir un campo asociado a la simetría, que es el campo de gluones. Los quarks, portadores de carga de color, interaccionan entre ellos intercambiando gluones, que es lo que provoca que estén ligados unos a otros. A su vez los propios gluones tienen carga de color por lo que interactúan a su vez entre ellos. Además, la cromodinámica cuántica explica que existan dos tipos de hadrones: los bariones (formados por tres quarks cada uno con cargas de color diferentes) y los mesones(formados por dos quarks conjugados entre sí con cargas de color opuestas). Todos los hadrones, formados por quarks, interaccionan entre sí mediante la fuerza fuerte (aunque pueden interactuar débilmente, electromagnéticamente y gravitatoriamente). La intensidad de la interacción fuerte viene dada por una constante de acoplamiento característica, mucho mayor que las asociadas a interacción electromagnética y gravitatoria. Por tanto la cromodinámica cuántica, explica tanto la cohesión del núcleo atómico como la integridad de los hadrones mediante una de la "fuerza asociada al color" de quarks y antiquarks. A los quarks y antiquarks, además de las otras características atribuidas al resto de partículas, se les asigna una característica nueva, la "carga de color" y la interacción fuerte entre ellos se transmite mediante otras partículas, llamadas gluones. Estos gluones son eléctricamente neutros, pero tienen "carga de color" y por ello también están sometidos a la fuerza fuerte. La fuerza entre partículas con carga de color es muy fuerte, mucho más que la electromagnética o la gravitatoria, a tal punto que se presenta confinamiento de color.
Los quarks, antiquarks y los gluones son las únicas partículas fundamentales que contienen carga de color no nula, y que por lo tanto participan en las interacciones fuertes. Los gluones, partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte, que mantienen unidos a los quarks para formar otras partículas, como se ha explicado, también tienen carga de color y por tanto pueden interaccionar entre sí. Un efecto que derivaría de esto es la existencia teórica de agrupaciones de gluones (glubolas). Los quarks pueden presentar seis tipos de carga: rojo, azul, verde, antirojo, antiazul y antiverde. Las cargas antiroja, antiazul y antiverde están relacionadas con las correspondientes roja, azul y verde de manera similar a como lo están las cargas eléctricas negativas y positivas. Los gluones por su parte tienen un tipo de carga más complejo, su carga siempre es la combinación de un color o un anticolor diferente (por ejemplo, se puede tener un gluón rojo-antiazul o un gluón verde-antirojo, etc.)
La fuerza que hace que los constituyentes del núcleo de un átomo permanezcan unidos está asociado a la interacción nuclear fuerte. Aunque hoy en día sabemos que esta fuerza que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo es una fuerza residual de la interacción entre los quarks y los gluones que componen dichas partículas (up y down). Sería similar al efecto de las fuerzas de enlace que aparecen entre los átomos para formar las moléculas, frente a la interacción eléctrica entre las cargas eléctricas que forman esos átomos (protones y electrones), pero su naturaleza es totalmente distinta.
Antes de la cromodinámica cuántica se consideraba que esta fuerza residual que mantenía unidos los protones del núcleo era la esencia de la interacción nuclear fuerte, aunque hoy en día se asume que la fuerza que une los protones es un efecto secundario de la fuerza de color entre quarks, por lo que las interacciones entre quarks se consideran un reflejo más fundamental de la fuerza fuerte.
La fuerza nuclear fuerte entre nucleones se realiza mediante piones, que son bosones másicos, y por esa razón esta fuerza tiene tan corto alcance. Cada neutrón o protón puede "emitir" y "absorber" piones cargados o neutros, la emisión de piones cargados comporta la transmutación de un protón en neutrón o viceversa (de hecho en términos de quarks esta interacción se debe a la creación de un par quark-antiquark, el pión cargado no será más que un estado ligado de uno de los quarks originales y más un quark o antiquark de los que se acaban de crear). La emisión o absorción de piones cargados responden a alguna de las dos interacciones siguientes:
En la primera reacción anterior un protón emite inicialmente un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el pión positivo es reabsorbido por un neutrón convirtiéndose en un protón, el efecto neto de ese intercambio es una fuerza atractiva. En la segunda, un neutrón emite un pión negativo y se convierte en un protón, el pión negativo al ser reabsorbido por otro protón da lugar a un neutrón. Desde un punto de vista semiclásico el campo de piones se puede aproximar mediante un potencial de Yukawa:
Donde:
Por lo que a muy pequeñas distancias la interacción decae aproximadamente según la inversa del cuadrado, sin embargo, a distancias del orden del núcleo atómico predomina el decrecimiento exponencial, por lo que a distancias superiores a las atómicas el efecto de los piones es prácticamente imperceptible.