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CIENCIA. Las cuatro fuerzas del universo: (IV) Fuerza Nuclear Fuerte


La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Como hemos visto en ediciones anteriores, las otras tres fuerzas son la gravedad, el electro-magnetismo y la fuerza nuclear débil. Como su nombre indica, es la fuerza más fuerte de las cuatro, aproximadamente 100 veces más fuerte que la fuerza electromagnética, un millón de veces más fuerte que la interacción débil y 1043 veces más fuerte que la gravitación. 


Esta fuerza es la responsable de unir las partículas fundamentales de la materia para formar partículas más grandes. Sin embargo, también tiene el rango de actuación más corto, lo que significa que las partículas deben estar extremadamente cerca para sentir sus efectos. Su función principal es mantener juntas las partículas subatómicas del núcleo (protones, que llevan una carga positiva, y neutrones, que no llevan carga).


La más fuerte de las fuerzas es la interacción fuerte, que es la fuerza que, entre otras cosas, mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones).

El núcleo de todos los átomos, excepto el del hidrógeno, contiene más de un protón y cada protón tiene una carga positiva, como es sabido, las partículas con carga de igual signo se repelen y las de distinto signo se atraen, por lo tanto, los protones experimentan una fuerza repulsiva con los protones vecinos. Aquí es donde entra la fuerza nuclear fuerte. Esta se crea mediante el intercambio de partículas llamadas mesones.  Este intercambio se puede comparar con golpear constantemente una pelota de ping-pong o una pelota de tenis entre dos personas. Mientras pueda ocurrir este intercambio de mesones, la fuerza fuerte es capaz de mantener unidos los protones.


En el átomo de helio, por ejemplo, es lo suficientemente fuerte como para unir dos protones, a pesar de que sus cargas eléctricas positivas hacen que se rechacen entre sí.

EL MODELO ESTANDAR
Como hemos visto en artículos anteriores el modelo estándar describe la estructura fundamental de la materia. Bajo este modelo, las partículas elementales, es decir, aquellas que no pueden dividirse en partes más pequeñas, son los bloques de construcción del universo. Una de estas partículas es el quark, que combinando entre sí sus distintos “sabores”, forma protones y neutrones. Otras  partículas son los bosones, que son los encargados de portar las distintas fuerzas del universo.

FUERZA FUERTE FUNDAMENTAL
La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto, que actúa directamente entre quarks. Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otros hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones. 

La fuerza fuerte no disminuye con la distancia entre las dos partículas, como lo hace la fuerza electromagnética de hecho, aumenta, es parecido a estirar un resorte mecánico. A distancias comparables al diámetro de un protón, la fuerza fuerte está en su plenitud. Sin embargo, a distancias más pequeñas, la fuerza fuerte entre  quarks se debilita. En física de partículas, este efecto se conoce como libertad asintótica.


En esencia, la interacción fuerte permite que las partículas llamadas gluones se unan entre sí para crear los nucleones en primer lugar. Los gluones también pueden interactuar con otros gluones, lo que le da a la interacción fuerte una distancia teóricamente infinita, aunque sus principales manifestaciones son todas a nivel subatómico.

Al igual que con un muelle, hay un límite en la distancia que dos partículas pueden separarse entre sí, 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 quark-antiquark. Esta conversión de energía a masa ocurre de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = mc²  o en este caso, m = E / c² donde E es energía, m es masa y c es la velocidad de la luz. Debido a que esta conversión ocurre cada vez que tratamos de separar los quarks entre sí, no se han observado quarks libres y se cree que no existen como partículas individuales. 

La mayor parte de la masa de un protón o neutrón común es el resultado de la fuerte energía del campo de fuerza. Los quarks individuales proporcionan solo alrededor del 1% de la masa de un protón.  Cabe destacar que, debido a que la mayor parte de la masa de un cuerpo se debe a sus  protones y neutrones, esta masa (y por lo tanto su peso en una báscula de baño) proviene principalmente de la energía que suponen los gluones que unen a los quarks constituyentes, en lugar de los quarks mismos. La masa es principalmente una medida de las energías por movimiento de los quark y de sus campos de unión 



LIMITACIONES DEL MODELO ESTANDAR
 Además de todas las partículas subatómicas conocidas y predichas, el Modelo Estándar incluye las fuerzas fuertes, las débiles y el electro-magnetismo, y explica cómo estas fuerzas actúan sobre las partículas de materia.  Sin embargo, la teoría no incluye la gravedad.  Ajustar la fuerza gravitacional 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. 

UNIFICACIÓN DE LAS CUATRO FUERZAS FUNDAMENTALES
Muchos físicos creen que las cuatro fuerzas fundamentales del universo son, de hecho, las manifestaciones de una sola fuerza subyacente (o unificada) que aún no se ha descubierto. Del mismo modo que la electricidad, el magnetismo y la fuerza débil se unificaron, trabajan para unificar todas las fuerzas fundamentales.

La actual interpretación de la mecánica cuántica respecto de estas fuerzas es que las partículas no interactúan directamente, sino que se manifiestan como partículas virtuales que median las interacciones reales. Todas las fuerzas, excepto la gravedad, se han consolidado en este "Modelo Estándar" de interacción.

El esfuerzo por unificar la gravedad con las otras tres fuerzas fundamentales se llama gravedad cuántica. Postula la existencia de una partícula virtual llamada gravitón, que sería el elemento mediador en las interacciones de gravedad. Hasta la fecha, los gravitones no se han detectado, y ninguna teoría de la gravedad cuántica ha sido exitosa o adoptada universalmente.



LA FUERZA NUCLEAR FUERTE EN UNA ESTRELLA DE NEUTRONES
Los físicos en el MIT y en otros lugares descubrieron un comportamiento cambiante mientras estudiaban la fuerza nuclear fuerte, las interacciones entre neutrones y protones, a distancias muy cortas, que ocurren naturalmente en lo más profundo de los núcleos de estrellas de neutrones enloquecedoramente calientes, según un nuevo estudio publicado en el revista Nature.

La mayor parte de la materia en el universo se mantiene unida con un pegamento subatómico llamado fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales para la composición de la naturaleza en la ciencia empírica. Las otros: la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil también impregnan nuestra vida cotidiana. Sin embargo, la fuerza nuclear fuerte tira y empuja en el espacio entre neutrones y protones en el núcleo de un átomo. Esto es lo que evita que un átomo se colapse hacia adentro.

Normalmente, los protones y los neutrones están lo suficientemente alejados entre sí para que los físicos puedan predecir sus interacciones con gran precisión. Pero estas predicciones se desmoronan cuando las partículas subatómicas están tan cerca que están prácticamente yuxtapuestas. Las distancias ultracortas  son extremadamente raras en la Tierra, pero suceden todo el tiempo en las estrellas de neutrones, donde la inmensa gravedad comprime la materia en bolsas extremadamente densas. Los científicos han querido explicar cómo funciona la fuerza nuclear fuerte en distancias ultracortas desde los albores de la física nuclear.

Fuente: Casey Reed - Penn State University / WikiMedia
El equipo de investigación realizó un análisis avanzado sobre los datos del acelerador de partículas de experimentos anteriores y descubrió que la distancia entre los protones y los neutrones se reduce, lo que desconcertó a los físicos. A grandes distancias, la fuerza nuclear fuerte atrae un neutrón a un protón, pero con poca distancia, la fuerza se vuelve indiferente: puede atraer, pero a veces también repele.

Esta es la primera mirada detallada a lo que le sucede a la fuerza nuclear fuerte a distancias muy cortas. Esto tiene enormes implicaciones, principalmente para las estrellas de neutrones y también para la comprensión de los sistemas nucleares en su conjunto. El tejido de la realidad es fascinante, pero en una parte de nuestra galaxia muy, muy lejana, el tipo de átomos del estudio del MIT y sus colegas, están realizando una indiferencia cambiante bajo una presión inimaginable, usando una fuerza que podemos asumir que será con estrellas de neutrones , siempre.

Fuente:
- Probing the core of the strong nuclear interaction. A. Schmidt, J. R. Pybus, R. Weiss, E. P. Segarra, A. Hrnjic, A. Denniston, O. Hen, E. Piasetzky, L. B. Weinstein, N. Barnea, M. Strikman, A. Larionov, D. Higinbotham & The CLAS Collaboration. Nature volume 578, pages540–544(2020)
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2021-6

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