Interacțiunea tare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

Interacțiunea tare, numită și Forța nucleară tare, este una din cele 4 interacțiuni fundamentale naturale cunoscute în prezent, celelalte trei fiind:

Forța nucleară tare este și cea mai puternică din aceste interacțiuni, fiind de 100 de ori mai puternică decât forța electromagnetică, de 106 ori mai puternică decât forța slabă și de 1039 ori mai mare ca forța gravitațională.

Forța nucleară tare face ca protonii și neutronii să rămână integri și stabili. Are o distanță de acțiune foarte scurtă, de circa 10-16 metri. În acest context, ea este o forță nucleară.

În fizica nucleară forța nucleară tare ține quarcii și gluonii împreună pentru a forma hadroni, adică barionii, care includ protonii și neutronii, precum și mezonii, adica kaonii, mezon rho, pionii, etc.

Se consideră că interacțiunea tare este mediata de gluoni care acționează asupra quarcilor, anti-quarcilor și împotriva gluonilor înșiși. Acest proces este detaliat in teoria cuantică cromodinamica(QCD).

Istorie[modificare | modificare sursă]

Înaintea anilor 1970, protonii și neutronii erau considerați particule elementare indivizibile. Era cunoscut că protonii purtau o sarcină electrică pozitivă. În ciuda faptului că respingerea electromagnetică realiza respingerea particulelor încărcate cu același fel de sarcină electrică, mai mulți protoni apăreau legați împreună în nucleele atomice cu neutroni cu sarcina zero, nu se știa mecanismul acestor legături.

Mult mai târziu s-a descoperit că protonii și neutronii nu erau particule fundamentale, ci erau constituite din alte particule, denumite quarci. Atracția puternică între nucleoni erau efectul secundar al unei forțe care țineau împreună quarcii din protoni și neutroni. Teoria cuantică a cromodinamicii explică cum cuarcii poartă o caracteristică numită culoare, deși nu are nici o legatura cu spectrul vizibil....

Cromodinamica cuantică[modificare | modificare sursă]

În teoria cromodinamicii cuantice, interacțiunea puternică este descrisă, la fel ca forța electromagnetică și interacțiunea slabă, prin intermediul schimbului de bosoni. Cuanta câmpului interacțiunii tari este gluonul, existând opt tipuri de gluoni. Gluonii transmit sarcină de culoare (care pot fi de trei tipuri: "verde", "albastră" și "roșie") între quarcuri. Antiquarcurii au sarcinile de culoare specifice: "antiverde", "antiroșie" și "antialbastră". Suma sarcinilor de culoare dintr-un hadron trebuie să fie egală cu zero, adică toate culorile trebuie să se compenseze pentru a forma un hadron de culoare "albă". Barionii sunt formați din 3 quarcuri, care trebuie să aibă culori diferite. Un gluon poate interacționa cu alți gluoni și poate schimba sarcinile de culoare între ei. Forța tare acționează doar asupra quarcurilor și asupra gluonilor, singurele particule fundamentale care poartă o sarcină de culoare permanentă. Toate quarcurile și gluonii interacționează prin intermediul forței tari, aceasta fiind caracterizată de o constantă de cuplare puternică.

Gluonii, cuantele câmpului interacțiunii puternice, pot fi la rândul lor de o "culoare" și de o "anti-culoare" corespunzătoare (exemplu: antiroșu-albastru). Există nouă posibilități de combinare între cei 8 gluoni din motive matematice legate de grupul de simetrie "SU(3)", care reprezintă fundamentul matematic al cromodinamicii cuantice (combinația verde-antiverde este neutră din punct de vedere al sarcinii de culoare). Interacțiunea unui gluon cu un quarc poate schimba culoarea quarcului: un gluon albastru-antiroșu absorbit de un quarc roșu îl va transforma pe acesta într-un quarc albastru. O consecință a acestui mecanism este că sarcina de culoare a unui quarc se va schimba prin intermediul schimbului continuu de gluoni cu vecinii săi, dar sarcina totala a unui sistem izolat de particule se conservă în timp.

O caracteristică importantă a forței tari este că acționează de asemenea asupra cuantelor câmpului său, gluonii, din cauza sarcinii lor de culoare. De exemplu, un gluon verde-antiroșu poate absorbi un gluon albastru-antiverde pentru a deveni antiroșu-albastru. Acest fenomen este marginal în cazul altor tipuri de interacțiuni fundamentale: fotonul, de exemplu, nu este încărcat electric (de fapt, interacțiunea slabă are o caracteristică similară in privinta sarcinilor W + și W-, dar consecințele acestei interacțiuni sunt neglijabile). In cazul forței tari, această caracteristică rezultă într-un câmp foarte limitat pentru această forță, de ordinul diametrului unui hadron (~ 1 fm). O altă consecință este că forța de interacțiune între doi quarci este aproape constantă, spre deosebire de alte interacțiuni în care forța este proporțională cu inversul pătratului distanței. Dacă am încerca să desparțim doi quarci, ar trebui să aplicam o energie tot mai mare pe masura ce distanța distanța dintre aceștia crește. La un moment dat, am furniza suficientă energie pentru a crea noi quarci și antiquarci, care s-ar alătura quarcilor inițiali pentru a crea noi hadroni.

Forța tare are o proprietate numită libertate asimptotică, ceea ce înseamnă că, cu cât quarcii se apropie mai mult unii de alții, cu atât forța nucleara tare se micșoreaza mai repede, apropiindu-se asimptotic de valoarea zero. În schimb, cu cât quarcii se îndepartează unii de alții, forța crește în magnitudine. Quarcii nu pot fi găsiți în stare liberă în Univers din cauza fenomenului de confinare.Trebuie calculate functiile beta, care codifica comportamentul constantei de cuplaj. In teoriile de calibru non-abeliene constanta de cuplaj este negativa.Chiar mai mult cuplajul scade logaritmic cu cresterea energiei, deci cromodinamica cuantica ar trebui sa devina cuplata puternic la energii joase, iar aplicarea unei expansiuni de puteri ale constantei de cuplaj adimensionale g nu mai este valabila. Dat fiind ca odata cu scaderea energiei, cuplajul a crescut, metodele perturbative cu dezvoltarea cu o serie de puteri nu mai tin, metodele neperturbative ar fi cele mai eficiente in aceasta situatie.

Nucleul atomic[modificare | modificare sursă]

Forța nucleară tare explică de ce nucleul atomic, alcătuit din protoni încărcați cu o sarcină pozitivă și neutronii neutri din punct de vedere electric, este destul de stabil. Spre deosebire de forța tare, forța nucleara descrește odată cu mărirea distanței dintre particule. În cadrul nucleului, forța nucleară are un caracter rezidual.

Nucleonii au mereu sarcina de culoare egală cu zero. Cu toate acestea, există o interacțiune reziduală între aceștia (însă aceasta este departe de a fi comparabila cu forțele van der Waals, care pot fi considerate ca interacțiuni electromagnetice între atomii neutri din punct de vedere electric și/sau molecule).

La o distanță de aproximativ 2,5 fm, forța de atracție a interacțiunii puternice reziduale este comparabil de puternică cu repulsia electrostatică dintre protoni. La o distanță mai mare, forța puternică reziduală descrește exponențial, în timp ce forța electrostatică scade proporțional cu 1/r2. Această interacțiune dintre cele două forțe fundamentale explică coeziunea nucleelor atomice, dar și procesul de fisiune al nucleelor grele. Fenomenologic, interacțiunea puternică reziduală poate fi descrisă ca un schimb de pioni.

Un lucru care ajută la micșorarea repulsiei dintre protonii unui nucleu este prezența neutronilor. Aceștia sunt neutri din punct de vedere electric și nu sunt respinși de către protoni. Neutronii participă la schimbul de mezoni în cadrul nucleului, creând o forță suficient de puternică pentru a depăși repulsiile electronice reciproce și nucleul să rămână stabil. Astfel, neutronii liberi penetreaza ușor prin bariera electrostatică a nucleului, învingând repulsia prin schimbul de mezoni, intrând astfel în componența nucleului.