Ciencias exactas: Interaccion nuclear fuerte

¿Por qué el núcleo atómico no vuela en pedazos debido a la repulsión de Coulomb entre los protones?

Hasta mediados del siglo XX, este dilema les dio dolor de cabeza a los grandes científicos. En principio se sabía que debía haber una fuerza de magnitud superior a la electromagnética pero que fuera de corto alcance tal que solo pudiera percibirse en los núcleos atómicos. Se hicieron varias aproximaciones hasta llegar a la teoría actual según la cual hay una fuerza de magnitud superior a la coulombiana llamada fuerza fuerte residual, la cual es producto de la interacción entre los ladrillos fundamentales de nuestro universo como son los fermiones y los bosones portadores de fuerza.

A continuación una breve descripción

Según el modelo estándar, que es el que recoge todo lo estudiado respecto a las interacciones subatómicas existen dos tipos de partículas elementales: los fermiones y los bosones. El modelo explica las fuerzas entre dos partículas (fermiones) como resultado de un intercambio de partículas mediadoras (bosones).

Hay 12 fermiones diferentes: 6 son quarks y 6 son leptones. Los fermiones se agrupan en tres familias o tres generaciones: cada uno consistente en una pareja de quarks y una pareja de leptones. Los leptones son fundamentales en la interacción débil, sin embargo, en la interacción fuerte actúan solo el boson correspondiente, gluon, y los quarks.

Esta fuerza o interacción fuerte se parece mucho a la fuerza electromagnética, pero es un poco más compleja. En lugar de actuar sobre protones y electrones, actúa sobre partículas realmente elementales como lo son los Quarks. En vez de haber solamente carga positiva y negativa existe una fuerza de color y una de anti color (Quarks y antiquarks) que se neutralizan entre si dando origen al blanco, concretamente a un mesón. Existen tres manifestaciones distintas de esta fuerza, color rojo, azul y verde. Los anti colores respectivos son: Cyan, magenta y amarillo.

Esta fuerza no solo tiene el efecto dual entre color y anti color. Al igual que como sucede en la óptica, los tres colores fundamentales (Quarks de las tres familias) se neutralizan dando origen al blanco (en este caso un barion) que tiene el mínimo potencial energético al que las partículas tienden a caer. La interacción fuerte es de tal magnitud que es sumamente difícil que un Quarks se encuentre solo y errante.

En la teoría cuántica de campos a cada tipo de interacción le corresponde una familia de partículas portadoras de la interacción. El bosón o partícula portadora de carga para la interacción fuerte es el gluon análoga al fotón en las fuerzas electromagnéticas o al gravitón en la interacción gravitacional.

Debe aclararse que lo de color no tiene que ver en nada con “propiedades ópticas de la fuerza” solo es una forma conveniente e intuitiva de clasificar esa ´forma´ que la fuerza toma.

Volviendo a nuestro análisis del núcleo atómico, la fuerza que mantiene estable al núcleo no es siquiera la totalidad de magnitud de la interacción fuerte entre quarks, es solamente una fuerza residual, es decir una pequeña fracción de esta interacción nuclear fuerte.

La teoría fundamental detrás de todos estos modelos modernos es la mecánica cuántica, sin la cual no fuera posible siquiera describir todas las propiedades de los electrones, ni siquiera se sabría sobre el spin, sobre la cuantización del espacio, nada...

Además se ha utilizado metodología lagrangiana basada en la búsqueda de simetrías y cantidades conservadas. Sin duda esta es una de las tres revoluciones de la ciencia debidas a los pioneros de la mecánica cuántica que comenzaron a descubrir falta de concordancia en los modelos atómicos y aun en los suyos propios, y reconocieron la necesidad de una teoría más universal, que aun hoy se busca. Sin duda este camino pasa por todos estos avances en física de partículas.

A continuación algunas tablas que resumen las propiedades de la fuerza o interacción fuerte, en relación con las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Tabla de interacciones fundamentales