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» » » La Fuerza Fuerte, y un repaso por el modelo estándar de partículas

Referencia: LiveScience.com .
Artículo original "What Is the Strong Force?"
por Jim Lucas, 1 de noviembre 2014

La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza; las otros tres son la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil. Como su nombre lo indica, la fuerza fuerte es la más fuerte de las cuatro. Es responsable de la unión entre sí de las partículas fundamentales de la materia a fin de formar partículas más grandes.

El Modelo Estándar

La teoría dominante en la física de partículas es el Modelo Estándar, que describe los elementos básicos de la materia y cómo interactúan. La teoría fue desarrollada en la década de 1970; con el tiempo, y a través de muchos experimentos, se ha consolidado como una teoría física bien probada, según el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear.

En el marco del Modelo Estándar, una de las partículas más pequeñas y fundamentales, es decir, una que no puede ser dividida en partes más pequeñas, es el quark. Estas partículas son los componentes básicos de una clase de partículas masivas conocidas como hadrones, que incluye a los protones y neutrones. Los científicos no han visto ninguna indicación de que haya algo más pequeño que un quark, aunque todavía están buscando.

La fuerza fuerte fue propuesta por primera vez para explicar por qué los núcleos atómicos no escapan, ya que pareciera que podrían hacerlo debido a la fuerza electromagnética de repulsión entre los protones de carga positiva ubicados en el núcleo. Más tarde se descubrió que la fuerza fuerte no sólo mantiene los núcleos entre sí, sino que también es responsable de la unión que mantiene juntos los quarks que componen los hadrones.

"La interacción fuerte es importante para mantener juntos a los hadrones", de acuerdo con "Las Cuatro Fuerzas", el material del curso de física de la Universidad de Duke. "La fundamental interacción fuerte mantiene unidos a los quarks constitutivos de los hadrones, y la fuerza residual mantiene juntos a los hadrones, como el protón y los neutrones de un núcleo."

Los quarks y los hadrones

Los quarks se teorizaron, de forma independiente, en 1964,  por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig, y las partículas fueron observadas por primera vez en el Stanford Linear Accelerator National Laboratory, en 1968. Gell-Mann eligió el nombre, que se dice que pudo venir de un poema de el novela "Finnegan’s Wake", de James Joyce:

"Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark,
And sure any he has it's all beside the mark."

"Los experimentos de los aceleradores de partículas en los años de 1950 y 60 mostraron que los protones y los neutrones no son más que representantes de una gran familia de partículas llamadas ahora hadrones. Son más de 100 [ahora más de 200] hadrones, a veces llamado el "zoológico hadrónico”, que hasta la fecha se han detectado", según Bogdan Povh, y otros, en su libro."Partículas y núcleos: Una introducción a los conceptos físicos" (Springer, 2008).

Los científicos han detallado los modos en que los quarks forman estas partículas de hadrones. "Hay dos tipos de hadrones: bariones y mesones", escribe Lena Hansen en "La Fuerza del color", un artículo publicado en línea por la Universidad de Duke. "Cada barión está formado por tres quarks, y cada mesón está constituido de un quark y un antiquark", donde un antiquark es la antimateria opuesta a un quark, con una carga eléctrica opuesta. Los bariones son un tipo de partícula que comprende a los protones y los neutrones. Los mesones son partículas de vida corta que se producen en grandes aceleradores de partículas y en la interacción con los rayos cósmicos de alta energía.

Propiedades del Quark: Sabor y color

Los quarks vienen en seis variedades que los físicos llaman "sabores". Con el fin de aumentar la masa, se les conoce como arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior. Los quarks arriba y abajo son estables, y forman los protones y los neutrones. Por ejemplo, un protón se compone de dos quarks arriba y un quark abajo, y se denota como (uud).

Los otros, los sabores más masivos sólo se producen en las interacciones de alta energía y tienen una vida media muy corta. Se observan típicamente en los mesones, que pueden contener diferentes combinaciones de sabores como los pares quark-antiquark. El último de ellos, el quark superior, fue teorizado en 1973 por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, pero no pudo observarse hasta el año 1995, en un experimento en el +Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi+ (Fermilab). Kobayashi y Maskawa fueron galardonados con el Premio Nobel 2008 de Física por su predicción.

Los quarks tienen otra propiedad, también con seis manifestaciones. Esta propiedad fue etiquetada como "color", pero no se debe confundir con el entendimiento común de color. Los seis manifestaciones se denominan rojo, azul, verde, antirojo, antiazul y antiverde. Los anti-colores pertenecen, apropiadamente, a los antiquarks. Las propiedades de color explican cómo los quarks son capaces de obedecer el Principio de exclusión de Pauli, que establece que dos objetos idénticos no pueden ocupar el mismo lugar, apuntaba Hansen. Es decir, los quarks que componen el mismo hadron deben tener diferentes colores. De este modo, los tres quarks de un barión son de diferentes colores, y un mesón debe contener un quark y antiquark del color y anti-color respectivamente.

Los gluones

La fuerza de interacción fuerte proviene de los intercambios de las partículas portadoras de fuerza llamadas bosones. Las partículas de materia transfieren energía a los demás mediante el intercambio de bosones. La fuerza fuerte es transportada por un tipo de bosón llamado "gluon", llamado así porque estas partículas funcionan como un "pegamento" que mantiene unidos el núcleo y sus constituyentes bariones. Una cosa extraña que sucede en la atracción entre dos quarks: la fuerza fuerte no disminuye con la distancia entre las dos partículas, como lo hace la fuerza electromagnética; de hecho, aumenta, más parecido al estiramiento de un resorte mecánico.

Al igual que en un resorte mecánico, hay un límite a la distancia en la que dos quarks se pueden separar uno del otro, que es aproximadamente el diámetro de un protón. Cuando se alcanza este límite, la tremenda energía que se requiere para lograr la separación convierte de repente la masa a la forma de un par quark-antiquark. Esta energía para la conversión en masa sucede de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = mc2, o en este caso, m = E/c2 --donde E es la energía, m es la masa, y c es la velocidad de la luz. Dado que esta conversión se produce cada vez que tratamos de separar los quarks entre sí, los quarks libres aún no se han observado y se cree que no existen como partículas individuales. En su libro, "Gauge Theories of the Strong, Weak and Electromagnetic Interactions: Second Edition" (Princeton University Press, 2013), Chris Quigg, de Fermilab, declaraba que, "la observación definitiva de quarks libres sería revolucionario."


La fuerza fuerte residual

Cuando los tres quarks están unidos en un protón o un neutrón, la fuerza fuerte producida por los gluones se ve en su mayoría neutralizada, porque casi toda se deriva hacia la unión de los quarks. Como resultado, esta fuerza se ve confinada principalmente al interior de la partícula. Sin embargo, existe una pequeña fracción de dicha fuerza que actúa fuera del protón o del neutrón. Esta fracción de la fuerza puede operar entre los protones y los neutrones, o "nucleones". Según Constantinos G. Vayenas y Stamatios N.-A. Souentie, en su libro "Gravedad, Relatividad Especial y la Fuerza Fuerte" (Springer, 2012), "se hace evidente que la fuerza entre nucleones es el resultado, o efecto secundario, de una fuerza mayor y más fundamental que une a los quarks en protones y neutrones". Este "efecto secundario" se llama la "Fuerza fuerte residual", o "fuerza nuclear", y es la que mantiene juntos a los núcleos atómicos, a pesar de la fuerza electromagnética de repulsión que existe entre los protones de carga positiva actuando para separarlos.

No obstante, a diferencia de la fuerza fuerte, la residual decae rápidamente en las distancias cortas y es sólo significativa entre las partículas adyacentes dentro del núcleo. La fuerza electromagnética de repulsión, sin embargo, decae más lentamente, por lo que actúa a través de todo el núcleo. Por lo tanto, en los núcleos pesados​​, particularmente aquellos con números atómicos mayores de 82 (plomo), mientras que la fuerza nuclear sobre una partícula permanece casi constante, la fuerza electromagnética total sobre la partícula se incrementa con número atómico, hasta el punto que, con el tiempo, puede empujar y separar el núcleo. Como se indica en la página web ABC de la Ciencia Nuclear, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, "la fisión puede ser vista como un "tira y afloja' entre la fuerza nuclear fuerte atractiva y la fuerza electrostática repulsiva. En las reacciones de fisión, la repulsión electrostática gana."

La energía que se libera al romper la fuerza fuerte residual vincula la formación de partículas de alta velocidad y los rayos gamma, produciendo lo que llamamos la radiactividad. Las colisiones con las partículas que provienen de la desintegración de los núcleos cercanos pueden precipitar este proceso hasta provocar una "reacción nuclear en cadena". La energía de la fisión de los núcleos pesados ​​como el uranio-235 y el plutonio-239 es lo que alimenta los reactores nucleares y las bombas atómicas.

Limitaciones del Modelo Estándar

Además de todas las partículas subatómicas conocidas y predichas, el Modelo Estándar incluye las fuerzas Fuerte y la Débil y el electromagnetismo, y explica cómo estas fuerzas actúan sobre las partículas de la materia. Sin embargo, la teoría no incluye la gravedad. Encajar la fuerza de la gravedad en el marco del Modelo ha dejado perplejos a los científicos durante décadas. Pero, de acuerdo con el CERN, a escala de estas partículas, el efecto de la gravedad es tan minúsculo que el modelo funciona bien a pesar de la exclusión de dicha fuerza fundamental.


- Imagen.1. Partículas fundamentales llamadas quarks vienen en seis sabores diferentes. Los protones están formados por dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que los neutrones contienen dos quarks abajo y un quark arriba. Crédito: Michael Taylor | Shutterstock
- Imagen,2, Modelo estándar de partículas. Karl Tate, LiveScience Infographic Artist.
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