Hace poco hablé de las fuerzas radiales y de que decaen de forma inversamente proporcional a la distancia de separación. Parece intuitivo que cuanto más lejos, menos intenso sea. Sin embargo existe una fuerza fundamental en la naturaleza donde esto no se cumple: la interacción fuerte. Se trata de la interacción de más corta distancia (1 fermi o ) y también la que más rápidamente ocurre () y es la que hace de pegamento para las piezas más pequeñas que conforman la materia que nos constituye: los quarks.

De igual manera que la interacción electromagnética se vale de la carga eléctrica y la interacción gravitatoria de la masa para intermediar entre sus partículas, la interacción fuerte utiliza la llamada carga de color. Por supuesto, no se trata del color debido a la luz. El color es una manera de englobar varias propiedades fundamentales de las partículas pero tiene unas propiedades matemáticas que hacen que sea muy conveniente tratarlo de ese modo. Debido a esto, a rama de la Física que estudia la interacción fuerte se llama cromodinámica cuántica (QCD) y a las partículas capaces de interaccionar fuertemente se las llama hadrones y obviamente, están hechos de quarks.

Así, existen tres colores posibles: rojo, verde y azul. Y en base a ello, se formula la hipótesis de confinamiento del color:

No es posible observar de forma aislada una partícula cuyo color total  no sea blanco.

Quarks
Nombre	Símbolo[1]	Generación	Carga eléctrica (e)
Arriba		Primera
Abajo		Primera
Encanto		Segunda
Extraño		Segunda
Cima		Tercera
Fondo		Tercera

Se llama “blanco” al valor “cero” del color. El color es aditivo, es decir, se suma. Los valores negativos se llaman de “anticolor” y en virtud del confinamiento, las únicas maneras de conseguir el color blanco es sumando dos colores opuestos, por ejemplo: rojo y antirrojo, o sumando los tres colores: rojo, verde y azul. Esta es la razón por la cual existen dos tipos de hadrones: los mesones están hechos de un quark y un antiquark y los bariones de tres quarks.

En el caso de la fuerza electromagnética, el fotón es la partícula encargada de comunicar la interacción entre las partículas afectadas. En la interacción fuerte no es una sino un total de ocho partículas llamadas gluones las que se encargan de esto. Como todas las partículas mediadoras de una interacción, son bosones (tienen espín 0,1,2…) y tienen la peculiaridad de que tienen carga de color (mientras que los fotones no tienen carga eléctrica y por tanto no pueden interactuar electromagnéticamente) por lo que además de interaccionar entre las partículas, pueden interaccionar entre ellos. Esta es una de las razones por las que la interacción fuerte es tan distinta a las demás.

Pero además, la interacción fuerte no tiene un comportamiento igual para cualquier distancia.

Libertad asintótica y confinamiento

Para distancias del orden de 1 fermi o menos la intensidad de la interacción fuerte es prácticamente nula. Es decir, a distancias que tienden a cero, nos encontramos en la región donde hay libertad asintótica. Al contrario que en las demás fuerzas, en esta cuanto más cerca, menos intensa es. Esto hace que, por ejemplo, en el interior de bariones como los protones y los neutrones, los quarks se comporten como partículas libres.

Este hecho permite a los físicos poder hacer experimentos de dispersión inelástica profunda. De esto ya hablé aquí. Este experimento es el análogo al experimento de la lámina de oro de Rutherford en el que demostraron que los átomos no eran sólidos sino que tenían estructura interna gracias a la dispersión de un haz de núcleos de Helio (partículas alfa)  por una lámina de oro muy delgada. En el caso de la dispersión inelástica profunda se trata de hacer esto mismo pero con hadrones y haces de electrones, muones o neutrinos.

Y se observa cómo los protones y neutrones no son puntuales sino que tienen estructura interna. De su diferencia de masa y otras cosas ya hablé aquí. Y no sólo eso. La distribución de la carga eléctrica estaba compuesta de 3 partes cada una de las cuales tenía carga eléctrica y dos de ellas carga . No existen partículas libres con carga menor que la del electrón. Esta es otra de las razones por las que no hay quarks aislados en la naturaleza.

Cuando los quarks comienzan a alejarse de la zona de libertad asintótica, la intensidad de la atracción tiende hacia infinito y no son capaces de alejarse más. Por eso se llama confinamiento. Los quarks nunca pueden abandonar la zona de confinamiento y por tanto es imposible que los hadrones se desintegren sin más: tienen que respetar la hipótesis de confinamiento y esto implica, que no pueden acabar apareciendo constituyentes de color distinto de cero.

Interacción nuclear fuerte

A menudo se suele hablar indistintamente de la interacción fuerte y de la interacción nuclear fuerte. La segunda es un “residuo” de la primera y es la que hace que los núcleos se mantengan unidos, ya que la interacción electromagnética hace que los protones se repelan por tener carga positiva y sin embargo, la interacción fuerte residual consigue vencer esta repulsión y hace que los núcleos no se desintegren.

La razón de que se llame residual es que realmente no es una atracción directa mediante quarks y gluones. Los protones y neutrones intercambian mesones virtuales (que están formados por quarks u y d, al igual que ellos). Esto ya lo expliqué en otra entrada. Y pese a ser residual, sigue siendo lo bastante intensa y rápida para vencer a la repulsión electrostática. Y ya para finalizar, en la siguiente imagen puede verse un diagrama de Feynmann con esta interacción (los procesos transcurren de izquierda a derecha):

Referencias:

• An Essay on Color Confinement (hip-1999-60/th) en arXiv.org.
• Bag Model for Quark Confinement and Asymptotic Freedom.
• Color charge en Scholarpedia.