Interação forte - Strong interaction

O núcleo de um átomo de hélio. Os dois prótons têm a mesma carga , mas ainda permanecem juntos devido à força nuclear residual

Na física nuclear e na física de partículas , a interação forte é uma das quatro interações fundamentais conhecidas , sendo as outras o eletromagnetismo , a interação fraca e a gravitação . Na gama de 10 -15  M (um pouco mais do que o raio de uma nucleão), a força forte é cerca de 137 vezes mais forte que o electromagnetismo, 10 6 vezes tão forte como a interacção fraca , e 10 38 vezes mais forte que a gravitação. A força nuclear forte confina os quarks em partículas de hádron , como o próton e o nêutron . Além disso, a força forte liga esses nêutrons e prótons para criar núcleos atômicos, onde é chamada de força nuclear . A maior parte da massa de um próton ou nêutron comum é o resultado da forte energia do campo de força ; os quarks individuais fornecem apenas cerca de 1% da massa de um próton.

A forte interação é observável em dois intervalos e mediada por dois portadores de força. Em uma escala maior (de cerca de 1 a 3 femtômetro ), é a força (transportada pelos mésons ) que une prótons e nêutrons (núcleons) para formar o núcleo de um átomo . Em uma escala menor (menos de cerca de 0,8 fm, o raio de um nucleon), é a força (transportada pelos glúons ) que mantém os quarks juntos para formar prótons, nêutrons e outras partículas de hadron . No último contexto, costuma ser conhecido como a força da cor . A força forte tem inerentemente uma força tão alta que os hádrons ligados pela força forte podem produzir novas partículas massivas . Assim, se os hádrons são atingidos por partículas de alta energia, eles dão origem a novos hádrons em vez de emitir radiação em movimento livre ( glúons ). Essa propriedade da força forte é chamada de confinamento de cor e evita a "emissão" livre da força forte: em vez disso, na prática, são produzidos jatos de partículas massivas.

No contexto dos núcleos atômicos, a mesma forte força de interação (que liga os quarks dentro de um núcleo ) também liga os prótons e nêutrons para formar um núcleo. Nessa capacidade, é chamada de força nuclear (ou força forte residual ). Portanto, o resíduo da forte interação entre prótons e nêutrons também une os núcleos. Como tal, a interação forte residual obedece a um comportamento dependente da distância entre os núcleons que é bastante diferente daquele quando atua para ligar quarks dentro dos núcleons. Além disso, existem distinções nas energias de ligação da força nuclear de fusão nuclear versus fissão nuclear . A fusão nuclear é responsável pela maior parte da produção de energia do Sol e de outras estrelas . A fissão nuclear permite o decaimento de elementos radioativos e isótopos , embora muitas vezes seja mediada pela interação fraca . Artificialmente, a energia associada à força nuclear é parcialmente liberada na energia nuclear e nas armas nucleares , tanto em armas de fissão baseadas em urânio ou plutônio quanto em armas de fusão como a bomba de hidrogênio .

A forte interação é mediada pela troca de partículas sem massa chamadas glúons, que agem entre quarks, antiquarks e outros glúons. Acredita-se que os glúons interajam com os quarks e outros glúons por meio de um tipo de carga chamada carga colorida . A carga colorida é análoga à carga eletromagnética, mas vem em três tipos (± vermelho, ± verde, ± azul) em vez de um, o que resulta em um tipo diferente de força, com regras de comportamento diferentes. Essas regras são detalhadas na teoria da cromodinâmica quântica (QCD), que é a teoria das interações quark-gluon.

História

Antes da década de 1970, os físicos não tinham certeza de como o núcleo atômico estava unido. Era sabido que o núcleo era composto de prótons e nêutrons e que os prótons possuíam carga elétrica positiva , enquanto os nêutrons eram eletricamente neutros. Pelo entendimento da física da época, as cargas positivas se repeliam e os prótons com carga positiva deveriam fazer com que o núcleo se separasse. No entanto, isso nunca foi observado. Uma nova física era necessária para explicar esse fenômeno.

Uma força atrativa mais forte foi postulada para explicar como o núcleo atômico foi ligado, apesar da repulsão eletromagnética mútua dos prótons . Essa força hipotética foi chamada de força forte , que se acreditava ser uma força fundamental que agia sobre os prótons e nêutrons que compõem o núcleo.

Mais tarde, foi descoberto que os prótons e nêutrons não eram partículas fundamentais, mas eram constituídos por partículas constituintes chamadas quarks . A forte atração entre os núcleos era o efeito colateral de uma força mais fundamental que unia os quarks em prótons e nêutrons. A teoria da cromodinâmica quântica explica que os quarks carregam o que é chamado de carga de cor , embora não tenha relação com a cor visível. Quarks com carga de cor diferente se atraem como resultado da forte interação, e a partícula que medeia isso foi chamada de glúon .

Comportamento da força forte

Os acoplamentos fundamentais da interação forte, da esquerda para a direita: radiação de glúon, divisão de glúon e auto-acoplamento de glúon.

A palavra forte é usada porque a interação forte é a "mais forte" das quatro forças fundamentais. A uma distância de um  femtometer (1  fm = 10 -15  m) ou menos, a sua resistência é cerca de 137 vezes maior do que a força electromagnética , a cerca de 10 6  vezes tão grande como a da força fraca , e cerca de 10 38  vezes superior à de gravitação .

A força forte é descrita pela cromodinâmica quântica (QCD), uma parte do modelo padrão da física de partículas. Matematicamente, QCD é uma teoria de calibre não Abeliana baseada em um grupo de simetria local (calibre) chamado SU (3) .

A partícula portadora de força da interação forte é o glúon, um bóson de calibre sem massa . Ao contrário do fóton no eletromagnetismo, que é neutro, o glúon carrega uma carga colorida. Quarks e glúons são as únicas partículas fundamentais que carregam carga de cor permanente e, portanto, participam de fortes interações apenas entre si. A força forte é a expressão da interação do glúon com outras partículas de quark e glúon.

Todos os quarks e glúons no QCD interagem uns com os outros por meio da força forte. A força da interação é parametrizada pela constante de acoplamento forte . Essa força é modificada pela carga de cor do medidor da partícula, uma propriedade teórica do grupo .

A força forte atua entre os quarks. Ao contrário de todas as outras forças (eletromagnética, fraca e gravitacional), a força forte não diminui em força com o aumento da distância entre pares de quarks. Depois que uma distância limite (aproximadamente do tamanho de um hadron ) foi alcançada, ele permanece com uma força de cerca de 10.000  newtons (N) , não importa o quanto a distância entre os quarks seja maior. À medida que a separação entre os quarks aumenta, a energia adicionada ao par cria novos pares de quarks correspondentes entre os dois originais; portanto, é impossível isolar quarks. A explicação é que a quantidade de trabalho realizado contra uma força de 10.000 newtons é suficiente para criar pares partícula-antipartícula a uma distância muito curta dessa interação. A própria energia adicionada ao sistema necessária para separar dois quarks criaria um par de novos quarks que formariam pares com os originais. Na QCD, esse fenômeno é denominado confinamento de cores ; como resultado, apenas hádrons, e não quarks livres individuais, podem ser observados. O fracasso de todos os experimentos que buscaram quarks livres é considerado uma evidência desse fenômeno.

As partículas elementares de quark e glúon envolvidas em uma colisão de alta energia não são diretamente observáveis. A interação produz jatos de hádrons recém-criados que são observáveis. Esses hádrons são criados, como uma manifestação de equivalência massa-energia, quando energia suficiente é depositada em uma ligação quark-quark, como quando um quark em um próton é atingido por um quark muito rápido de outro próton impactante durante um experimento de acelerador de partículas . No entanto, plasmas de quark-gluon foram observados.

Força forte residual

Ao contrário do que a descrição acima de independência distância, no pós- Big Bang universo é não o caso que cada quark no universo atrai todas as outras quark. O confinamento de cor implica que a força forte atua sem diminuição da distância apenas entre pares de quarks, e que em coleções compactas de quarks ligados ( hádrons ), a carga de cor líquida dos quarks essencialmente se cancela , resultando em um limite da ação de as forças de cor: de distâncias próximas ou maiores do que o raio de um próton, coleções compactas de quarks que interagem com a cor (hádrons) coletivamente parecem ter efetivamente nenhuma carga de cor, ou "incolor", e a força forte está, portanto, quase ausente entre esses hádrons. No entanto, o cancelamento não é totalmente perfeito e uma força residual (descrita abaixo) permanece. Esta força residual faz diminuir rapidamente com distância, e é assim muito de curto alcance (eficazmente alguns femtometers). Ela se manifesta como uma força entre os hádrons "incolores" e é conhecida como a força nuclear ou força forte residual (e historicamente como a força nuclear forte ).

Uma animação da interação da força nuclear (ou força residual forte) entre um próton e um nêutron. Os pequenos círculos duplos coloridos são glúons, que podem ser vistos ligando o próton e o nêutron. Esses glúons também mantêm a combinação quark / antiquark chamada píon e, assim, ajudam a transmitir uma parte residual da força forte, mesmo entre hádrons incolores. As anticolores são mostradas de acordo com este diagrama . Para uma versão maior, clique aqui

A força nuclear atua entre os hádrons , conhecidos como mésons e bárions . Essa "força forte residual", agindo indiretamente, transmite os glúons que fazem parte dos mésons π e ρ  virtuais , que, por sua vez, transmitem a força entre os núcleos que mantém o núcleo (além do prótio ) unido.

A força forte residual é, portanto, um resíduo menor da força forte que une os quarks em prótons e nêutrons. Essa mesma força é muito mais fraca entre nêutrons e prótons, porque é principalmente neutralizada dentro deles, da mesma forma que as forças eletromagnéticas entre átomos neutros ( forças de van der Waals ) são muito mais fracas do que as forças eletromagnéticas que mantêm elétrons em associação com o núcleo , formando os átomos.

Ao contrário da força forte, a força residual forte diminui com a distância e rapidamente. A diminuição é aproximadamente como uma potência exponencial negativa da distância, embora não haja uma expressão simples conhecida para isso; veja o potencial de Yukawa . A diminuição rápida com a distância da força residual atrativa e a diminuição menos rápida da força eletromagnética repulsiva agindo entre os prótons dentro de um núcleo, causa a instabilidade de núcleos atômicos maiores, como todos aqueles com números atômicos maiores que 82 (o elemento chumbo )

Embora a força nuclear seja mais fraca do que a própria interação forte, ela ainda é altamente energética: as transições produzem raios gama . A massa de um núcleo é significativamente diferente das massas somadas dos núcleos individuais. Este defeito de massa é devido à energia potencial associada à força nuclear. Diferenças entre defeitos de massa de fusão nuclear de energia e fissão nuclear .

Unificação

As chamadas Teorias da Grande Unificação (GUT) visam descrever a interação forte e a interação eletrofraca como aspectos de uma única força, da mesma forma como as interações eletromagnética e fraca foram unificadas pelo modelo de Glashow-Weinberg-Salam na interação eletrofraca . A interação forte tem uma propriedade chamada liberdade assintótica , em que a intensidade da força forte diminui em energias (ou temperaturas) mais altas. A energia teorizada em que sua força se torna igual à interação eletrofraca é a grande energia de unificação . No entanto, nenhuma Teoria da Grande Unificação foi formulada com sucesso para descrever este processo, e a Grande Unificação permanece um problema não resolvido na física .

Se o GUT estiver correto, após o Big Bang e durante a época eletrofraca do universo, a força eletrofraca separou-se da força forte. Consequentemente, uma grande época de unificação é hipotetizada como tendo existido antes disso.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos