interacción fuerte

History

En la década de 1930, los científicos comprendieron que debía existir una atracción especial en el núcleo, de lo contrario se desintegraría. El físico japonés Hideki Yukawa predijo en 1935 la existencia de partículas mediadoras: los mesones. Más tarde, en los años 1960-70, se desarrolló la cromodinámica cuántica (QCD), en la que los mediadores son los gluones y los constituyentes los quarks.

How it works

Imagina dos peces en un acuario con agua muy espesa: cuando están lejos, el agua apenas molesta, pero en cuanto se acercan, surge una poderosa atracción entre ellos debido a la presión del agua que tiende a juntarlos. Así funcionan los quarks: cuanto más lejos están, más se tensa una «cuerda» de campo gluónico entre ellos y la energía crece. Si se intenta separarlos, la energía llega a ser tan grande que se crean nuevas partículas, un par quark-antiquark, que se combinan en nuevas partículas estables.

History

En la década de 1930, los científicos comprendieron que debía existir una atracción especial en el núcleo, de lo contrario se desintegraría. El físico japonés Hideki Yukawa predijo en 1935 la existencia de partículas mediadoras: los mesones. Más tarde, en los años 1960-70, se desarrolló la cromodinámica cuántica (QCD), en la que los mediadores son los gluones y los constituyentes los quarks.

How it works

Imagina dos peces en un acuario con agua muy espesa: cuando están lejos, el agua apenas molesta, pero en cuanto se acercan, surge una poderosa atracción entre ellos debido a la presión del agua que tiende a juntarlos. Así funcionan los quarks: cuanto más lejos están, más se tensa una «cuerda» de campo gluónico entre ellos y la energía crece. Si se intenta separarlos, la energía llega a ser tan grande que se crean nuevas partículas, un par quark-antiquark, que se combinan en nuevas partículas estables.

History

Los primeros indicios de la existencia de la interacción fuerte aparecieron en la década de 1920 con el descubrimiento del núcleo atómico. En 1935, Hideki Yukawa propuso la teoría mesónica de las fuerzas nucleares. El desarrollo de aceleradores en los años 1950-60 llevó al descubrimiento de numerosos hadrones, lo que requirió la introducción del modelo de quarks (Gell-Mann, Zweig) en 1964. El grado de libertad de color y la hipótesis del confinamiento se formularon a principios de los años 1970, y la cromodinámica cuántica como teoría de gauge con grupo SU(3) fue construida por Gross, Wilczek y Politzer en 1973 (Premio Nobel 2004). La confirmación experimental de la libertad asintótica provino de la dispersión inelástica profunda.

How it works

La interacción fuerte une los quarks mediante el intercambio de gluones. Los gluones no tienen masa pero portan color, por lo que interactúan entre sí, creando «cadenas gluónicas» y cuerdas. Al intentar separar los quarks, la energía potencial de la cuerda aumenta, y cuando se supera el umbral de creación de un par quark-antiquark, la cuerda se rompe formando nuevos hadrones; este fenómeno se denomina hadronización. En colisiones de alta energía, los quarks y gluones forman un plasma de quarks y gluones, un estado en el que están débilmente ligados. La interacción fuerte residual entre hadrones incoloros se manifiesta como las fuerzas nucleares que mantienen unidos los nucleones en el núcleo (una interacción efectiva, análoga a las fuerzas de van der Waals en física molecular). Leyes relacionadas: principio de Pauli, invariancia de gauge, libertad asintótica.

Open problems & fun facts

La naturaleza del confinamiento: no existe una demostración rigurosa de la imposibilidad de quarks libres en el marco de la QCD.; Ecuación de estado del plasma de quarks y gluones y transiciones de fase en QCD.; El cálculo de las propiedades de los hadrones (masas, espines) directamente desde la QCD requiere grandes recursos computacionales (QCD en la red).; La estructura del núcleo a nivel de quarks y el papel de los gluones en el espín del protón (el problema del espín del protón).

💡 El plasma de quarks y gluones, que existió en los primeros microsegundos después del Big Bang, se recrea en aceleradores como el LHC, mediante colisiones de iones pesados a velocidades cercanas a la luz; en esos puntos la temperatura supera los 5 billones de grados.