miniatura|Os quarks interactúan dentro dun neutrón debido á interacción nuclear forte. En física de partículas, a interacción nuclear forte, tamén chamada forza forte, forza nuclear forte ou interacción forte é un dos catro tipos de forzas fundamentais que o modelo estándar da Física establece para explicar o universo. Esta forza é a responsable de manter unidos aos nucleóns (protóns e neutróns) que coexisten no núcleo atómico, vencendo á repulsión electromagnética entre os protóns que posúen carga eléctrica do mesmo signo (positiva) e facendo que os neutróns, que non teñen carga eléctrica, permanezan unidos entre si e tamén aos protóns.
É a maior forza existente en todo o universo, non existe unha forza equiparable coa interacción nuclear forte; pois esta é a que dá a existencia de todo o universo en conxunto ademais da interacción nuclear débil, o electromagnetismo e a gravidade.
Os efectos desta forza só se aprecian a distancias moi pequenas, do tamaño dos núcleos atómicos, e non se perciben a distancias maiores a 1 femtómetro (fm) (1 femtómetro, lixeiramente máis que o radio dun nucleón). Esta característica coñecese como de curto alcance, en contraposición coas de longo alcance como a gravidade ou a interacción electromagnética, que son estritamente de alcance infinito.
A maior parte da masa dun protón ou neutrón é o resultado da enerxía de interacción forte; os quarks individuais só achegan ao redor do 1 % da masa dun protón. No rango de 10−15 m, a forza forte é aproximadamente 100 veces máis forte que o electromagnetismo, 106 veces máis forte que a interacción débil e 1038 veces máis forte que a gravidade.A forza relativa da interacción varía coa distancia. Véxase, por exemplo, o ensaio de Matt Strassler, "The strength of the known forces".
A forza nuclear forte ten un alcance de arredor dun femtómetro (ás veces chamado fermi na honra de Enrico Fermi), uns 10-15 metreo, e debe ser forte abondo como para contrarrestar a intensa forza repulsiva que hai entre os protóns; a enerxía da forza nuclear forte entre dous protóns é da orde de MeV (megaelectrón-volt). A forza nuclear forte non está afectada pola carga eléctrica das partículas: afecta por igual protóns e neutróns. A teoría que explica esta forza é a cromodinámica cuántica (QCD do inglés quantum chromodynamics), que foi proposta en 1973 por Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler e Murray Gell-Mann.Facts about Harald Fritzsch: quantum chromodynamics, as discussed in quantum chromodynamics, Enciclopaedia Britannica
A forza nuclear forte actúa sobre todos os hadróns, mesóns e barións, as partículas compostas formadas por quarks e antiquarks. A interacción desta forza é levada por uns bosóns chamados gluóns, de xeito equivalente á forza electromagnética que é levada polos fotóns. Esta forza é a responsable de que os quarks se manteñan unidos para formar os barións (como os protóns ou os neutróns) e os mesóns (como os pións ou os kaóns), e tamén é a responsable de que os protóns e os neutróns se manteñan unidos ó núcleo.Weak Interaction Studies by Precision Experiments in Nuclear Beta Decay, Nathal Severijns, Instituut voor Kern- en Stralingsfysica, Katholieke Universiteit Leuven. Páx. 342. A forza forte de unión entre dous quark polo intercambio de gluóns é equivalente a uns 1,6·10³ N. miniatura|upright|Cadro explicativo das 4 forzas fundamentais. miniatura|upright|Núcleo dun átomo de helio. Os dous protóns teñen a mesma carga, pero aínda permanecen xuntos debido á forza nuclear residual. No contexto dos núcleos atómicos, a forza une aos protons e neutróns para formar un núcleo e denomínase forza nuclear (ou forza forte residual). Debido a que a forza está mediada por mesóns masivos e de curta duración a esta escala, a interacción forte residual obedece a un comportamento dependente da distancia entre nucleóns que é moi diferente ao que se dá cando actúa para unir quarks dentro dos hadróns. Tamén hai diferenzas nas enerxías de enlace da forza nuclear con respecto á fusión nuclear fronte á fisión nuclear. A fusión nuclear é responsable da maior parte da produción de enerxía no Sol e outras estrelas. A fisión nuclear permite a desintegración de elementos radioactivos e isótopos, aínda que a miúdo está mediada pola interacción débil. Artificialmente, a enerxía asociada á forza nuclear libérase parcialmente na enerxía nuclear e nas armas nucleares, tanto nas armas de fisión baseadas en uranio ou plutonio como nas armas de fusión, como a bomba de hidróxeno.
Historia Antes da década de 1970, os físicos non sabían de certo cal era o mecanismo que mantiña unido o núcleo atómico. Sabíase que o núcleo estaba formado por protóns e neutróns e que os protóns ioñan unha carga eléctrica positiva mentres que os neutróns eran electricamente neutros. Porén, estes feitos semellaban contradicirse. Segundo o coñecemento da física aceptado daquela, as cargas positivas debían repelerse entre elas e, polo tanto, o núcleo tiña que chegar a romper. Pero isto non se ollaba nunca, e polo tanto, era preciso unha nova física que explicase este fenómeno.
Postulouse unha forza atractiva máis forte para explicar como o núcleo atómico estaba unido a pesar da repulsión electromagnética mutua dos protóns. Esta forza hipotética denominouse "forza forte", que se cría que era unha forza fundamental que actuaba sobre os protóns e neutróns que compoñen o núcleo.
Máis tarde, descubriuse que os protóns e os neutróns non eran partículas fundamentais, senón que eran formados por outras partículas máis pequenas chamadas quarks. A forte atracción que había entre os nucleóns era o efecto secundario dunha forza máis fundamental que mantiña unidos os quarks dentro dos protóns e os neutróns. A teoría da cromodinámica cuántica explica que os quarks levan o que se chama carga de cor, malia que o nome non teña relación coas cores visibles.
Os quarks con diferente carga de cor atráense entre si como resultado da interacción forte, que se transmite mediante uns bosóns, unhas partículas chamadas gluóns.
Estado actual da teoría de interaccións fortes A descrición teórica de interaccións fortes é unha das áreas máis desenvolvidas e ao mesmo tempo de rápido desenvolvemento da física teórica de partículas elementais. A pesar de que se comprende a natureza fundamental das interaccións fortes (a interacción de cor entre quarks e gluóns, descrita pola cromodinámica cuántica), as leis matemáticas que a expresan son moi complexas e, por tanto, en moitos casos específicos, os cálculos a partir de primeiros principios son aínda imposible. Como resultado, xorde unha imaxe ecléctica: xunto a cálculos matematicamente rigorosos, enfoques semicuantitativos baseados na mecánica cuántica, intuicións, que, con todo, describen perfectamente os datos experimentais.A. Schmidt, J. R. Pybus, R. Weiss, E. P. Segarra, A. Hrnjic, A. Denniston, O. Hen, E. Piasetzky, L. B. Weinstein, N. Barnea, M. Strikman, A. Larionov, D. Higinbotham & The CLAS Collaboration Probing the core of the strong nuclear interaction // Nature, volume 578, pages 540–544(2020)
Esbocemos a estrutura xeral da teoría moderna de interaccións fortes: En primeiro lugar, a cromodinámica cuántica é a base da teoría das interaccións fortes. Nesta teoría, os graos fundamentais de liberdade son os quarks e gluóns, coñécese o lagrangiano da súa interacción. Os enfoques para describir interaccións fortes dependen esencialmente do tipo de obxecto que se estea estudando. Pódense distinguir os seguintes grupos principais:
As reaccións hadrónicas duras, nas que os quarks e gluóns xogan o papel principal e que están ben descritos pola teoría da perturbación en QCD (Cromodinámica cuántica) ; As reaccións semirríxidas, nas que para unha descrición razoable é necesario ter en conta un número infinito de termos da serie da teoría de perturbacións, e en certos casos límites isto pódese facer. As reaccións hadrónicas de baixa enerxía (suaves), nas que os estados ligados dos quarks (hadróns) convértense en graos de liberdade máis razoables e estúdanse as leis de interacción. As propiedades estáticas dos hadróns, nas que, dependendo do caso específico, pódense utilizar diferentes enfoques.
Introdución miniatura|upright|Unha animación do confinamento de cor, unha propiedade da interacción forte. Se se fornece enerxía aos quarks como se mostra, o tubo de gluóns que conecta os quarks alárgase até alcanzar un punto no que "rompe" e a enerxía engadida ao sistema dá lugar á formación dun par quark-antiquark. Polo tanto, os quarks individuais nunca se ven illados. Forzas no núcleo atómico Antes da década de 1970, supoñíase que o protón e o neutrón eran partículas fundamentais. Deste xeito, a expresión forza forte ou forza nuclear forte referíase ó que hoxe en día se chama forza nuclear ou forza forte residual. Esta forza forte residual é a responsable da cohesión do núcleo e hoxe en día interprétase como o campo de forza asociado a pións emitidos por protóns, neutróns e outros hadróns (xa sexan barións ou mesóns). De acordo coa cromodinámica cuántica, a existencia deste campo de pións que mantén unido o núcleo atómico é só un efecto residual da verdadeira forza forte que actúa sobre os compoñentes internos dos hadróns, os quarks. As forzas que manteñen unidos os quarks son moito máis fortes que as que manteñen unidos neutróns e protóns. De feito, as forzas entre quarks son debidas ós gluóns e son tan fortes que producen o chamado confinamento de cor que imposibilita observar quarks nus a temperaturas ordinarias, mentres que en núcleos pesados se que é posible separar algúns protóns ou neutróns por fisión nuclear ou bombardeo con partículas rápidas do núcleo atómico.
Historicamente, a forza nuclear forte postulouse de maneira teórica para compensar as forzas electromagnéticas repulsivas que se sabía que existían no interior do núcleo, ó descubrir que este estaba composto por protóns de carga eléctrica positiva e neutróns de carga eléctrica nula. Postulouse tamén que o seu alcance non podía ser máis grande que o mesmo radio do núcleo xa que outros núcleos achegados non a sentisen, xa que se tivese un alcance maior todos os núcleos do universo terían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear. Por esta razón, denominouse naquela época forza forte. O modelo de Yukawa (1935) explicaba satisfactoriamente moitos aspectos da forza nuclear forte ou forza forte residual.
Modelo de quarks upright|miniatura|Estrutura de quarks dun protón. Tralo descubrimento dunha gran cantidade de hadróns que non parecían desempeñar ningún papel fundamental na constitución dos núcleos atómicos, cuñouse a expresión zoolóxico de partículas, dada a salvaxe profusión de diferentes tipos de partículas cunha existencia que non se entendía ben.
Moitas destas partículas parecían interactuar mediante un tipo de interacción semellante á forza forte, polo que se buscaron esquemas para comprender esa diversidade de partículas. Un modelo postulado para explicar a existencia de toda a gran variedade de barións e mesóns foi o modelo de quarks de 1963. Este modelo postulaba que os hadróns e os mesóns atopados experimentalmente eran de feito combinacións de quarks máis elementais. Posteriormente experimentos a máis altas enerxías amosaron que os propios barións non parecían ser elementais e parecían constituídos de partes que se mantiñan unidas entre si por algún tipo de interacción mal comprendida. Eses descubrimentos finalmente puideron ser interpretados de xeito natural en termos de quarks.