por Richard Webb
pregunta: ¿cuándo una fuerza fuerte no es una fuerza fuerte? Respuesta: cuando está en cualquier lugar fuera del núcleo atómico. Ese es al menos el caso de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (las otras son el electromagnetismo, La gravedad y la fuerza nuclear débil).
la fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks, las partículas fundamentales que componen los protones y neutrones del núcleo atómico, y además mantiene unidos protones y neutrones para formar núcleos atómicos., Como tal, es responsable de la estabilidad subyacente de la materia. Su enorme poder es también lo que se libera en el proceso de fusión nuclear en el sol, o fisión nuclear en una bomba nuclear.
en escalas subatómicas de aproximadamente 1 femtómetro, o 10 – 15m, es de lejos la más fuerte de las cuatro fuerzas, 137 veces más fuerte que el electromagnetismo, y un millón de veces más fuerte que la interacción débil. (La gravedad es tan débil que es completamente irrelevante en estas escalas. El hecho de que sea insignificante en escalas más grandes es el efecto paradójico de una extraña peculiaridad de fuerza fuerte., El fotón, que transmite la fuerza electromagnética, no tiene carga eléctrica, pero las partículas conocidas como gluones que transmiten la fuerza fuerte llevan la «carga de color» de fuerza fuerte equivalente. Por lo tanto, participan en su propia fuerza y pueden interactuar consigo mismos.
el resultado es que, mientras que el electromagnetismo se debilita cuando las partículas cargadas eléctricamente están más separadas, si intentas tirar de los quarks y los gluones que los unen, la fuerza entre ellos se hace más fuerte y los vuelve a unir., Este fenómeno, conocido como libertad asintótica, significa que los efectos de fuerza fuerte nunca se sienten por encima de una cierta escala de longitud. También explica por qué ni los quarks ni los gluones pueden tener una existencia independiente. Solo aparecen como parte de partículas compuestas más grandes, como protones y neutrones.
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hay toda una colección de tales partículas, formadas por combinaciones de seis tipos, o «sabores» de quarks – arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior – más sus antipartículas equivalentes., Qué combinaciones de quarks se permiten está determinada por dos complicaciones adicionales.
primero, los quarks llevan no solo carga de color, sino también una carga eléctrica de una fracción de un entero: +2/3 (up, charm y Top quarks), -1/3 (down, strange y bottom quarks), -2/3 (up, charm y top antiquarks) o +1/3 (down, strange y bottom antiquarks). Las partículas compuestas compuestas de quarks, sin embargo, solo pueden tener carga eléctrica entera. En segundo lugar, no hay solo un tipo de carga de color, como la hay con la carga eléctrica, sino tres: rojo, verde y azul., Los quarks dentro de las partículas pueden cambiar de color siempre y cuando conserven un equilibrio general entre los colores.
el resultado neto de todo esto es que solo hay dos tipos viables de compuestos de quarks: bariones, formados por tres quarks (y sus antibariones equivalentes, formados por tres antiquark); y mesones, que son pares quark-antiquark.,
el protón y el neutrón, las únicas partículas de fuerza fuerte que tienen gran parte de una existencia permanente en nuestro mundo actual, son ambos bariones, con las configuraciones de quarks (uud) para el protón, con su carga eléctrica +1; y (udd) para el neutrón, lo que resulta en una carga eléctrica neutra general. La diferencia en las configuraciones también significa que el neutrón es ligeramente más pesado que el protón. Este hecho significa que el protón, por lo que nadie sabe, no decae – un requisito previo básico para la estabilidad de la materia atómica, y por lo tanto para nuestra existencia.,
el modelo quark fue ideado por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig de forma independiente a principios de la década de 1960 (el nombre «quark» era una palabra sin sentido de Finnegans Wake de James Joyce que le gustaba a Gell-Mann). Sus patrones subyacentes explicaban una profusión de partículas de diferentes masas que aparecían en experimentos con aceleradores aparentemente sin rima o razón en ese momento., En 1973, David Gross y Frank Wilczek, e independientemente David Politzer, descubrieron la propiedad clave de la libertad asintótica que subyace a la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría cuántica de campos de la fuerza fuerte, un logro por el que los tres compartieron el Premio Nobel de física de 2004.
QCD es una de las dos teorías cuánticas de campo, junto con la electrodinámica cuántica o QED, la teoría unificada del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, que juntas forman la Asociación suelta conocida como el modelo estándar de física de partículas., Sigue siendo una gran esperanza de los físicos que QCD y QED podrían algún día estar unidos en una sola teoría. Se cree que las fuerzas electrodébiles y las fuertes actuaron como una sola en los primeros momentos increíblemente calientes del universo. Encontrar evidencia de esta «gran teoría unificada» requeriría recrear esas condiciones altamente energéticas, una tarea actualmente más allá incluso del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el aplastador de partículas más muscular que tenemos.
mientras tanto, QCD sigue siendo una fuerza diabólicamente difícil de hacer cálculos solo por su cuenta., La miríada de interacciones de fuerza fuerte entre quarks y gluones dentro de partículas tales como protones y neutrones solo pueden ser tratadas por aproximaciones, en una técnica conocida como QCD en red. Esa es una de las razones por las que algunos hechos bastante básicos de fuerza fuerte, como el tamaño de un protón, siguen siendo muy controvertidos.