¿Qué Es La Fuerza Fuerte?

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La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Es responsable de unir las partículas fundamentales de la materia para formar partículas más grandes.

La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza; Los otros tres son la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil. Como su nombre lo indica, la fuerza fuerte es la mas fuerte Fuerza de los cuatro. Es responsable de unir las partículas fundamentales de la materia para formar partículas más grandes.

El Modelo Estándar

La teoría reinante 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; a lo largo del tiempo y a través de muchos experimentos, se ha establecido como una teoría física bien probada, según el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear.

Bajo el Modelo Estándar, una de las partículas más pequeñas y fundamentales, es decir, una que no se puede dividir en partes más pequeñas, es el quark. Estas partículas son los bloques de construcción de una clase de partículas masivas conocidas como hadrones, que incluyen protones y neutrones. Los científicos no han visto ninguna indicación de que haya algo más pequeño que un quark, pero aún están buscando.

La fuerza fuerte se propuso por primera vez para explicar por qué los núcleos atómicos no se separan. Parecía que lo harían debido a la fuerza electromagnética repulsiva entre los protones cargados positivamente ubicados en el núcleo. Más tarde se descubrió que la fuerza fuerte no solo mantiene unidos los núcleos, sino que también es responsable de unir los quarks que forman los hadrones.

"Las fuertes interacciones de fuerza son importantes para... mantener a los hadrones juntos", según "Las cuatro fuerzas", material del curso de física de la Universidad de Duke. "La interacción fuerte fundamental mantiene unidos los quarks constituyentes de un hadrón, y la fuerza residual mantiene unidos los hadrones entre sí, como el protón y los neutrones en un núcleo".

Quarks y hadrones

Los quarks fueron teorizados en 1964, independientemente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig, y las partículas se observaron por primera vez en el Laboratorio Nacional del Acelerador Lineal de Stanford en 1968. Gell-Mann eligió el nombre, que se dice que proviene de un poema en el novela "El despertar de Finnegan", de James Joyce:

¡Tres quarks para la marca Muster!
Claro que no tiene mucho ladrido,
Y seguro que cualquiera lo tiene todo al lado de la marca.
"

"Los experimentos en aceleradores de partículas en los años 50 y 60 demostraron que los protones y los neutrones son simplemente representantes de una gran familia de partículas ahora llamadas hadrones. Más de 100 [ahora más de 200] hadrones, a veces llamado 'zoológico hadrónico', han Hasta el momento se ha detectado ", según Bogdan Povh, et al., en su libro" Partículas y núcleos: una introducción a los conceptos físicos "(Springer, 2008).

Los científicos han detallado las formas en que los quarks constituyen estas partículas de hadrones. "Hay dos tipos de hadrones: bariones y mesones", escribe Lena Hansen en "The Color Force", un artículo publicado en línea por la Universidad de Duke. "Cada barión está formado por tres quarks, y cada mesón está hecho de un quark y un antiquark", donde un antiquark es la contraparte de antimateria de un quark que tiene la carga eléctrica opuesta. Los bariones son una clase de partícula que comprende protones y neutrones. Los mesones son partículas de vida corta producidas en aceleradores de partículas grandes y en interacciones con rayos cósmicos de alta energía.

Propiedades del quark: Sabor y color.

Los quarks vienen en seis variedades que los físicos llaman "sabores". En orden de aumento de masa, se les conoce como arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior. Los quarks arriba y abajo son estables y forman protones y neutrones. Por ejemplo, el protón se compone de dos quarks up y un quark down, y se denota como (uud).

Los otros sabores más masivos solo se producen en interacciones de alta energía y tienen vidas medias extremadamente cortas. Normalmente se observan en los mesones, que pueden contener diferentes combinaciones de sabores como pares de quark y antiquark. El último de estos, el quark top, fue teorizado en 1973 por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, pero no se observó hasta 1995 en un experimento de aceleración en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi (Fermilab). Kobayashi y Maskawa recibieron el Premio Nobel de física 2008 por su predicción.

Los quarks tienen otra propiedad, también con seis manifestaciones. Esta propiedad fue etiquetada como "color", pero no debe confundirse con el entendimiento común del color. Las seis manifestaciones se denominan rojo, azul, verde, antired, antiblue y antigreen. Los anti-colores pertenecen, apropiadamente, a los antiquarks. Las propiedades de color explican cómo los quarks son capaces de obedecer el Principio de Exclusión de Pauli, que establece que no hay dos objetos idénticos que puedan ocupar el mismo lugar, dijo Hansen. Es decir, los quarks que componen el mismo hadrón deben tener diferentes colores. Por lo tanto, los tres quarks en un barión son de diferentes colores, y un mesón debe contener un quark de color y un antiquark del correspondiente anti-color.

Gluons

La fuerza fuerte resulta del intercambio de partículas portadoras de fuerza llamadas bosones. Las partículas de materia transfieren energía intercambiando bosones entre sí. La fuerza fuerte es transportada por un tipo de bosón llamado "gluón", llamado así porque estas partículas funcionan como el "pegamento" que mantiene unidos el núcleo y sus bariones constitutivas.Algo extraño sucede en 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, más parecido a estirar un resorte mecánico.

Al igual que con un resorte mecánico, hay un límite a la distancia entre dos quarks que se pueden separar, que es aproximadamente el diámetro de un protón. Cuando se alcanza este límite, la tremenda energía requerida para lograr la separación se convierte repentinamente en masa en forma de un par de quark-antiquark. Esta conversión de energía a masa ocurre de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, mi = mc2, o en este caso, metro = CE2 - dónde mi es energia metro es masa, y do Es la velocidad de la luz. Debido a que esta conversión se produce cada vez que intentamos separar los quarks entre sí, no se han observado quarks libres y se cree que no existen como partículas individuales. En su libro, "Calorías teorías de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas: Segunda edición" (Princeton University Press, 2013), Chris Quigg de Fermilab afirma que "la observación definitiva de los quarks libres sería revolucionaria".

El Modelo Estándar es la colección de teorías que describen las partículas de materia observadas experimentalmente más pequeñas y las interacciones entre la energía y la materia.

El Modelo Estándar es la colección de teorías que describen las partículas de materia observadas experimentalmente más pequeñas y las interacciones entre la energía y la materia.

Crédito: Karl Tate, artista de infografía WordsSideKick.com

Fuerza fuerte residual

Cuando tres quarks se unen entre sí en un protón o neutrón, la fuerza fuerte producida por los gluones se neutraliza principalmente porque casi todos se dirigen hacia la unión de los quarks. Como resultado, la fuerza se limita principalmente dentro de la partícula. Sin embargo, hay una pequeña fracción de la fuerza que actúa fuera del protón o neutrón. Esta fracción de la fuerza puede operar. Entre Protones y neutrones, o "nucleones". Según Constantinos G. Vayenas y Stamatios N.-A. Souentie en su libro "Gravedad, relatividad especial y fuerza fuerte" (Springer, 2012), "se hizo evidente que la fuerza entre nucleones es el resultado, o efecto secundario, de una fuerza más fuerte y más fundamental que une a los quarks en protones. y neutrones ". Este "efecto secundario" se llama "fuerza fuerte residual" o "fuerza nuclear", y es lo que mantiene unidos los núcleos atómicos a pesar de la fuerza electromagnética repulsiva entre los protones cargados positivamente que actúa para separarlos.

Sin embargo, a diferencia de la fuerza fuerte, la fuerza fuerte residual cae rápidamente a distancias cortas y solo es significativa entre las partículas adyacentes dentro del núcleo. La fuerza electromagnética repulsiva, sin embargo, disminuye más lentamente, por lo que actúa a través de todo el núcleo. Por lo tanto, en los núcleos pesados, particularmente aquellos con números atómicos mayores que 82 (plomo), mientras que la fuerza nuclear en una partícula permanece casi constante, la fuerza electromagnética total en esa partícula aumenta con el número atómico hasta el punto en que finalmente puede empujar el núcleo. aparte. Como se indica en el sitio web del Laboratorio Nacional Lawrence-Berkeley, ABC's of Nuclear Science, "La fisión puede verse como un 'tira y afloja' entre la fuerza nuclear atractiva y la fuerza electrostática repulsiva. En las reacciones de fisión, la repulsión electrostática gana. "

La energía que se libera al romper el enlace de fuerza fuerte residual toma la forma de partículas de alta velocidad y rayos gamma, produciendo lo que llamamos radioactividad. Las colisiones con partículas de la descomposición de los núcleos cercanos pueden precipitar este proceso y causar una "reacción en cadena nuclear". La energía de la fisión de núcleos pesados ​​como el uranio-235 y el plutonio-239 es lo que impulsa los reactores nucleares y las bombas atómicas.

Limitaciones del Modelo Estándar

Además de todas las partículas subatómicas conocidas y predichas, el Modelo Estándar incluye las fuerzas fuertes y débiles y el electromagnetismo, y explica cómo estas fuerzas actúan sobre las partículas de materia. Sin embargo, la teoría no incluye la gravedad. Ajustar la fuerza gravitatoria en el marco del modelo ha dejado perplejos a los científicos durante décadas. Pero, según el CERN, a la escala de estas partículas, el efecto de la gravedad es tan minúsculo que el modelo funciona bien a pesar de la exclusión de esa fuerza fundamental.

Recursos adicionales

  • CERN: El Modelo Estándar
  • La aventura de partículas: los fundamentos de la materia y la fuerza
  • Proyecto de educación en física contemporánea


Suplemento De Vídeo: La fuerza sin rival en el universo: LA FUERZA FUERTE | CROMODINÁMICA CUÁNTICA.




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