Interacción nuclear fuerte

La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro "fuerzas" o interacciones fundamentales que el modelo estándar de la física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas.

Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) 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 de interacción sólo se aprecian a distancias muy pequeñas (menores a 1 fm), del tamaño de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se le conoce como ser de corto alcance, en contraposición con la fuerza gravitatoria o la fuerza electromagnética que son de largo alcance (realmente el alcance de estas dos es infinito).

Historia

Antes de la década de los 1970 se suponía que el protón y el neutrón eran partículas fundamentales. Entonces la expresión fuerza fuerte se refería a lo que hoy en día se denomina fuerza nuclear o fuerza fuerte residual.

Lo observable en los experimentos realizados en esas fechas eran los efectos que esa fuerza producía sobre los componentes del núcleo, efectos residuales de la fuerza fuerte que actúa sobre los hadrones, ya sean bariones o mesones.

Esta fuerza 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. Se la denominó en aquel entonces fuerza fuerte.

Tras el descubrimiento de los quarks en 1963, los científicos ajustaron la teoría para que la fuerza actuara realmente sobre los quarks y gluones que formaban protones y neutrones. 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.

Cromodinámica cuántica

La teoría de la cromodinámica cuántica (sus siglas en inglés son QCD), que es parte del modelo estándar de la física de partículas, es una teoría gauge no abeliana basada en un grupo de simetría local (gauge) llamado SU (3). Todas las partículas que forman parte de esta teoría interaccionan unas con las otras mediante la fuerza fuerte. La fuerza de esta interacción se parametriza a través de la constante de acoplamiento fuerte. Esta fuerza se ve modificada, como es usual, por la carga de color de la partícula. Realmente esto se refiere a una propiedad teórica de los grupos cuyo significado se explica en la carga de color.

Esta teoría explica las interacciones fuertes entre partículas nucleares en función de la "fuerza de color" entre quarks y antiquarks (las partículas constituyentes de los protones y neutrones). 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 también 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.

Los quarks 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).

Fuerza nuclear fuerte como fuerza residual

La fuerza que hace que los constituyentes del núcleo de un átomo permanezcan unidos está asociado a la interección 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 intereacción 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 fundemantal de la fuerza fuerte.

Véase también

• Fuerzas fundamentales
• fuerza nuclear débil, interacción electromagnética y gravedad
• Modelo estándar de física de partículas y su teoría de campos.
• Teoría cuántica de campos y teoría gauge
• Cromodinámica cuántica y quark
• Fuerza entre nucleones y física nuclear
• Energía de enlace
• Fuerzas nucleares
• Superfuerza

Referencias

• David J. Griffiths, 1987. Introducción a las partículas elementales. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 (en inglés)
• Gordon L. Kane (1987). Física de partículas elemental moderna. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 
• Richard Morris, 2003. Los últimos brujos: El viaje desde la alquímia a la tabla periódica. Washington DC: Joseph Henry Press. ISBN 0-309-50593-3 (en inglés)

Enlaces externos

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