La fuerza fuerte o fuerza central fuerte es junto con una de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza. pesadez, electromagnetismo y la fuerza débil. Como su nombre indica, la fuerza fuerte es la el más fuerte potencia de cuatro. Une partículas de materia básica, los llamados quarks, en partículas más grandes.
La fuerza fuerte en el Modelo Estándar
La teoría dominante de la física de partículas es el Modelo Estándar, que describe los componentes básicos de la materia y cómo interactúan. La teoría se desarrolló a principios de la década de 1970 y se ha establecido con el tiempo y a través de muchos experimentos como una teoría física bien probada. CERN (se abre en una pestaña nueva)la Organización Europea para la Investigación Nuclear.
Entre el modelo estándar, uno de los más pequeños y básicos partículas elementales, o aquellos que no se pueden descomponer en partes más pequeñas, es el quark. Estas partículas son los componentes básicos de una clase de partículas masivas conocidas como hadrones, que incluye protones y neutrones. Los científicos no han visto ninguna evidencia de que haya algo más pequeño que un quark, pero todavía están buscando.
La fuerza fuerte se propuso por primera vez para explicar por qué los núcleos atómicos no se separan. Parecía que harían esto debido a la fuerza electromagnética repulsiva entre los protones cargados positivamente en el núcleo. Más tarde, los físicos descubrieron que la fuerza fuerte no solo mantiene unidos los núcleos, sino que también es responsable de unir los quarks que forman los hadrones.
«Las interacciones de fuerzas fuertes son importantes para… mantener unidos a los hadrones», afirma The Four Forces. (se abre en una pestaña nueva)”, Material del curso de física de la Universidad de Duke. «La interacción fuerte fundamental mantiene unidos a los quarks constituyentes de un hadrón, y la fuerza residual mantiene unidos a los hadrones, como el protón y los neutrones en un núcleo».
quarks y hadrones
Los quarks fueron teorizados de forma independiente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964, y el físico observó por primera vez las partículas en 1968 en el Laboratorio Nacional del Acelerador Lineal de Stanford. La Fundación Nobel (se abre en una pestaña nueva)Gell-Mann eligió el nombre, que se cree que está tomado de un poema de la novela Finnegans Wake de James Joyce:
«¡Tres quarks para Muster Mark! Claro, no tiene mucho de ladrido, y seguro que si tiene algo, está todo fuera de lugar.«
«Los experimentos en aceleradores de partículas en las décadas de 1950 y 1960 mostraron que los protones y los neutrones son solo representantes de una gran familia de partículas que ahora se llaman hadrones. Mas que 100 [now more than 200] Hasta ahora se han descubierto hadrones, a los que a veces se hace referencia como un ‘zoológico hadrónico’”, afirma el libro Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos (Springer, 2008).
Los científicos han detallado cómo los quarks forman estas partículas de hadrones. «Hay dos tipos de hadrones: bariones y mesones», escribió Lena Hansen en The Color Force. (se abre en una pestaña nueva)”, un artículo publicado en línea por la Universidad de Duke. «Cada barión se compone de tres quarks, y cada mesón se compone de un quark y un antiquark», donde un antiquark es eso antimateria Opuesto a un quark con carga eléctrica opuesta. Los bariones son la clase de partículas que incluye protones y neutrones. Los mesones son partículas de vida corta que se forman en aceleradores de partículas grandes y en interacciones de alta energía. rayos cósmicos.
Sabores y colores de requesón
Los quarks vienen en seis variedades, que los físicos llaman «sabores». En orden de masa creciente, se les conoce como arriba, abajo, raro, encantador, abajo y arriba. Los quarks arriba y abajo son estables y forman protones y neutrones, Live Science informó anteriormente. Por ejemplo, el protón consta de dos quarks up y un quark down y se denota como (uud).
Los otros sabores más masivos solo se crean en interacciones de alta energía y se descomponen extremadamente rápido. Por lo general, se observan en mesones que pueden contener diferentes combinaciones de sabores como pares quark-antiquark. El último de ellos, el top quark, fue teorizado por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa en 1973, pero no se observó hasta 1995 en un experimento con aceleradores en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi (Fermilab). Kobayashi y Maskawa fueron premiados Premio Nobel de Física 2008 (se abre en una pestaña nueva) por su predicción.
Los quarks tienen otra propiedad, también con seis manifestaciones. Esta propiedad se ha denominado «color», pero no debe confundirse con el concepto común de color. Las seis manifestaciones se conocen como rojo, azul, verde, anti-rojo, anti-azul y anti-verde. Los anticolores pertenecen propiamente a los antiquarks. Las propiedades del color explican cómo los quarks pueden obedecer el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos objetos idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, dijo Hansen. Es decir, los quarks que forman el mismo hadrón deben tener colores diferentes. Entonces, los tres quarks en un barión tienen diferentes colores, y un mesón debe contener un quark coloreado y un antiquark del anticolor correspondiente.
Los gluones y la fuerza fuerte
Las partículas de materia transfieren energía intercambiando partículas portadoras de fuerza, los llamados bosones, entre sí. La poderosa fuerza es transportada por un tipo de bosón llamado «gluón», llamado así porque estas partículas actúan como el «pegamento» que mantiene unidos el núcleo y sus bariones constituyentes. Algo extraño sucede con la atracción entre dos quarks: la fuerza fuerte no disminuye con la distancia entre las dos partículas como lo hace la fuerza electromagnética; De hecho, aumenta, lo que se parece más al alargamiento de un resorte mecánico.
Como un resorte mecánico, hay un límite a la distancia que pueden separarse dos quarks, que es aproximadamente el diámetro de un protón. Cuando se alcanza este límite, la enorme energía requerida para lograr la separación se convierte repentinamente en masa en forma de un par quark-antiquark. Esta conversión de energía-masa ocurre según Einsteinla famosa ecuacion mi = mc2 – o en este caso metro = CE2 – donde mi es energía metro es masa y C es la velocidad de la luz. Dado que esta transformación ocurre cada vez que tratamos de separar los quarks entre sí, no se han observado quarks libres y los físicos no creen que existan como partículas individuales. En su libro Gauge Theories of the Strong, Weak and Electromagnetic Interactions: Second Edition (se abre en una pestaña nueva)(Princeton University Press, 2013), dice Chris Quigg de Fermilab, «La observación definitiva de los quarks libres sería revolucionaria».
Poder fuerte restante
Cuando tres quarks se unen en un protón o un neutrón, la mayor parte de la poderosa fuerza generada por los gluones se neutraliza porque casi toda sirve para unir los quarks. Como resultado, la fuerza está mayormente confinada dentro de la partícula. Sin embargo, una pequeña fracción de la fuerza actúa fuera del protón o del neutrón. Esta fracción de la fuerza puede trabajar entre Protones y neutrones, conocidos colectivamente como nucleones.
Según Constantinos G. Vayenas y Stamatios N.-A. Souentie en su libro Gravity, Special Relativity and the Strong Force (se abre en una pestaña nueva)(Springer, 2012), «se ha demostrado que la fuerza entre los nucleones es el resultado o el efecto secundario de una fuerza más fuerte y más fundamental que une a los quarks en protones y neutrones». Este «efecto secundario» se denomina «fuerza residual fuerte». ‘ o la «fuerza nuclear», y es lo que mantiene unidos los núcleos atómicos a pesar de la fuerza electromagnética repulsiva entre los protones cargados positivamente que los separan.
Sin embargo, a diferencia de la fuerza fuerte, la fuerza fuerte residual decae rápidamente a distancias cortas y solo es significativa entre partículas adyacentes dentro del núcleo. Sin embargo, la fuerza electromagnética de repulsión disminuye más lentamente, por lo que actúa en todo el núcleo. Por lo tanto, en núcleos pesados, especialmente aquellos con números atómicos superiores a 82 (plomo), mientras que la fuerza nuclear sobre una partícula permanece casi constante, la fuerza electromagnética total sobre esa partícula de número atómico aumenta hasta el punto en que eventualmente puede separar el núcleo. . «La fisión se puede considerar como un ‘tira y afloja’ entre la fuerte fuerza nuclear atractiva y la fuerza electrostática repulsiva», afirma el ABC de la ciencia nuclear del Laboratorio Nacional Lawrence-Berkeley. (se abre en una pestaña nueva). «En las reacciones de fisión, gana la repulsión electrostática».
La energía liberada al romper el enlace de fuerza fuerte restante toma la forma de partículas de alta velocidad y rayos gamma, creando lo que llamamos radiactividad. Las colisiones con partículas de la descomposición de núcleos vecinos pueden acelerar este proceso y comenzar una reacción nuclear en cadena. Los reactores nucleares funcionan con energía procedente de la fisión de núcleos pesados como el uranio-235 y el plutonio-239 bombas atómicas.
Limitaciones del modelo estándar
Además de todas las partículas subatómicas conocidas y previstas, el modelo estándar incluye las fuerzas fuerte y débil y el electromagnetismo y explica cómo actúan estas fuerzas sobre las partículas de materia. Sin embargo, la teoría no incluye pesadez. Ajustar la fuerza de la gravedad en el marco del modelo ha desconcertado a los científicos durante décadas. Pero según el CERN, el efecto de la gravedad en la escala de estas partículas es tan pequeño que el modelo funciona bien a pesar de la exclusión de esta fuerza fundamental.
Recursos adicionales
CERN ha creado un extenso sitio web que describe todas las complejidades de nuestros esfuerzos para comprender la poderosa fuerza que Puedes ver aquí (se abre en una pestaña nueva). También puede ver demostraciones interactivas en la web o a través de una aplicación cortesía de La aventura de las partículas (se abre en una pestaña nueva). Si estás más de humor para escuchar, Mira este episodio de podcast (se abre en una pestaña nueva) Sumérgete en la fuerza fuerte.
bibliografía
Constantinos, G. et al. Gravedad, relatividad especial y fuerza fuerte (Springer Science & Business Media, 2012)
Quig, C. Teorías de calibre de interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. (Prensa de la Universidad de Princeton, 2013)
Povh, B. et al. Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos (Springer Science & Business Media, 2008)
Thacker, T. (29 de enero de 1995) Las cuatro fuerzashttps://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/forces.html#005 (se abre en una pestaña nueva)
Hansen, L. (27 de febrero de 1997) El poder del colorhttps://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/hansen.html (se abre en una pestaña nueva)
