Interacción Fuerza Fuerte

En el interior del núcleo, los nucleones ejercen una fuerza atractiva intensa sobre otros nucleones próximos. Esta interacción, conocida como Fuerza nuclear fuerte o fuerza hadrónica, es mucho más intensa que la fuerza electrostática de repulsión que existe entre los protones y muchísimo más intensa que la fuerza gravitatoria que se da entre los nucleones. La interacción nuclear fuerte es aproximadamente la misma entre dos neutrones, dos protones, o un neutrón y un protón. Naturalmente, entre dos protones se ejerce una fuerza electrostática repulsiva mutua debida a sus cargas, que tiende a debilitar ligeramente la atracción entre ellos. La interacción nuclear fuerte disminuye rápidamente con la distancia y es despreciable cuando dos nucleones se encuentran a una distancia mayor de unos pocos femtómetros. (Tipler, P y Mosca, G, 2010).

Uno de los logros más importantes de la Física de Partículas ha sido el descubrimiento de un patrón con el que clasificar gran parte de las partículas que interaccionan fuertemente, denominadas hadrones, llamado modelo quark, según el cual los hadrones están compuestos por los quarks u (arriba), d (abajo), s (extraño), c (encanto), b (belleza) y t (top) y los antiquarks correspondientes. Cada uno de estos quarks transporta un número cuántico característico, denominado sabor. De acuerdo con este modelo, los mesones están constituidos por un quark y un antiquark mientras que los bariones están constituidos por tres quarks. Los quarks se suponen fermiones (espín=ħ/2), pero con una carga igual a una fracción de la carga del protón (q=2e/3 ó –e/3). Los números cuánticos (espín, sabor, paridad y carga) de la mayor parte de los hadrones conocidos se pueden explicar mediante este modelo. Por ejemplo, en la figura 1 se muestra el espectro de excitación del nucleón hasta masas de 1700 MeV/c2, en el que los estados excitados se identifican por los valores del isospín (I=1/2 para los estados N* e I = 3/2 los estados ∆) y del momento angular y paridad. Los números cuánticos de los estados excitados mostrados, y en menor medida sus masas, se explican satisfactoriamente mediante el modelo quark. Estos estados no son realmente estados estables, sino resonancias de vida media muy corta, que se manifiestan como máximos de la sección eficaz de excitación, y se observan para distintos tipos de proyectiles y blancos. (Díaz J. y Nieves J, 2008).

Un aspecto crucial de la Física de hadrones es la descripción de sus interacciones a partir de las interacciones entre los quarks que los forman. En los años 70 se desarrolló la teoría de la Cromodinámica Cuántica (QCD), en la que las interacciones entre quarks se describen mediante el intercambio de bosones denominados gluones. Tanto a los quarks como a los antiquarks se les asigna una propiedad denominada color, similar a la carga eléctrica, y que tiene tres valores distintos, tal y como se deduce del análisis de la razón de secciones eficaces σ (e+e– → hadrones)/σ (e+e– →µ+µ–) ó de la anchura de desintegración del proceso π0 → γγ. Los gluones, mediadores de la interacción entre los quarks, aparecen en ocho estados de color diferentes y tampoco se han observado como partículas libres, aunque se cree que también se encuentran ligados en el interior de los hadrones. Sin embargo, existen sólidas evidencias experimentales de su existencia a partir de la observación de procesos a alta energía, en los que se observan chorros de hadrones llamados jets. Concretamente, en colisiones electrón-positrón a alta energía, el número relativo de sucesos e+e– → 2 jets y e+e– → 3 jets coincide con la proporción predicha por QCD para los procesos e+e– → qqˉ y e+e– → qqˉ g donde q representa un quark, qˉ, su correspondiente antiquark y g un gluón. (Díaz J. y Nieves J, 2008).

Las masas de los hadrones en el seno de materia hadrónica densa y caliente podrían ser diferentes que en el vacío hadrónico. Además, al producirse una disolución parcial de los hadrones en sus quarks constituyentes, se favorecería su desintegración, produciéndose una disminución de su tiempo de vida. La investigación experimental de las modificaciones sufridas por las propiedades de los hadrones en la materia nuclear es, por tanto, de crucial importancia para entender el grado de ruptura de la simetría quiral en materia nuclear en función de su densidad y temperatura. Estas investigaciones son también relevantes para entender las propiedades de determinados tipos de astros, como las estrellas de neutrones y las explosiones de estrellas supernovas, que se pueden considerar en cierta forma como núcleos atómicos gigantescos. (Díaz J. y Nieves J, 2008).