¿Qué Hace que la Fuerza Fuerte Sea Tan Especial?

Paul M. Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio, presentador de Ask a Spaceman y Radio Espacial, y autor de Your Place in the Universe. Sutter contribuyó con este artículo a Space.com Voces de expertos: Artículo de opinión & Insights.

Las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza tienen su propio lugar único. Gravedad, electromagnetismo, nuclear débil, nuclear fuerte: Cada uno gobierna un pequeño dominio de nuestras vidas. Si bien nuestras experiencias cotidianas están dominadas por la gravedad de la Tierra y el electromagnetismo de la luz y los imanes de nevera, las fuerzas nucleares gemelas también juegan un papel clave, solo que a escalas muy, muy pequeñas.

¿Qué tan pequeño? Imagínate elevarte en globo para convertirte en el tamaño del sistema solar. Tus manos nadan a través de la Nube de Oort, los planetas se anidan sobre tu ombligo. Eres tan grande que las señales eléctricas tardan semanas o incluso meses en recorrer tu sistema nervioso, haciendo que incluso los gestos más simples sean dolorosamente lentos.

Esa es la diferencia entre su tamaño actual (aproximadamente un par de metros) y 10^15 metros.

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Ahora, ejecútelo en reversa. Imaginen una escala tan pequeña que su cuerpo actual se sienta tan vasto como el sistema solar. Una escala en la que tus movimientos avanzan a pasos lentos. Esta escala increíblemente pequeña es el femtómetro: 10^-15 metros. Es la escala del núcleo atómico.

En el protón

Desde aquí arriba, es tentador pensar en el protón como una sola partícula. Una carcasa dura de carga positiva y masa, capaz de rebotar y golpear tan fácilmente como una bola de billar. Pero en realidad, un protón está hecho de tres partículas más pequeñas. Estas partículas tienen el nombre deliciosamente peculiar de quarks. Hay un total de seis tipos de quarks en la naturaleza, pero para nuestro examen detallado del protón solo necesitamos preocuparnos por dos de ellos, llamados quarks arriba y abajo.

Como dije, un protón es un triplete de quarks: dos quarks arriba y uno abajo. Estos quarks se unen como un equipo, y ese equipo atado es lo que llamamos un protón.

Excepto que eso no debería tener ningún sentido.

Los dos quarks up tienen exactamente la misma carga eléctrica (porque son exactamente el mismo tipo de partícula), por lo que deberían odiarse mutuamente. ¿Cómo se mantienen tan pegados?

Y lo que es más, sabemos por la mecánica cuántica que dos quarks no pueden compartir exactamente el mismo estado, no se pueden tener dos del mismo tipo unidos de esa manera. A esos dos quarks no se les debería permitir coexistir así. Y sin embargo, no solo se toleran entre sí, ¡sino que parecen disfrutar de la compañía!

¿Qué está pasando?

Un color diferente

En los años 1950 y 1960, los físicos comenzaron a darse cuenta de que el protón no es fundamental, se puede descomponer en partes más pequeñas. Así que hicieron un montón de experimentos y desarrollaron un montón de teorías para romper esa tuerca en particular. E inmediatamente se encontraron con a) la existencia de quarks y b) los enigmas desconcertantes de arriba.

Algo mantenía a esos tres quarks juntos. Algo muy, muy fuerte. Una nueva fuerza de la naturaleza.

La fuerza fuerte.

La entonces hipotética fuerza fuerte resolvió los problemas de los quarks coexistentes mediante la fuerza bruta simple. ¿No te gusta estar juntos porque no puedes compartir el mismo estado? Bueno, lástima, la fuerza fuerte va a hacer que lo hagas de todos modos, y va a proporcionar una forma de evitar ese problema.

Y cada fuerza tiene un punto de conexión. Gancho. Una forma de decirle a esa fuerza cuánto te afecta. Para la fuerza electromagnética es la carga eléctrica. Para la gravedad es la masa. Para la fuerza nuclear fuerte, los físicos tuvieron que inventar un nuevo gancho. Una forma para que un quark se conecte a otro quark a través de esa fuerza. Y los físicos eligieron la palabra color.

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Por lo tanto, si usted o una partícula que conoce tiene esta nueva propiedad llamada color, entonces puede sentir la fuerte fuerza nuclear. Su color puede ser rojo, verde o azul (confusamente, también hay anti-rojo, anti-verde y anti-azul, porque, por supuesto, la vida no es tan simple). Para construir una partícula como un protón, todos los colores de los quarks tienen que sumar el blanco. Por lo tanto, se asigna un quark rojo, el otro verde y el último azul. La asignación particular de color en realidad no importa (y, de hecho, los quarks individuales cambian de color constantemente), lo que importa es que todos se suman al blanco y que la fuerza fuerte pueda hacer su trabajo.

Esta nueva propiedad de color es la que permite a los quarks compartir un estado dentro de un protón. Con el color, no hay dos quarks exactamente iguales, ahora tienen colores diferentes.

Superfuerza

Imagine tomar dos alicates pequeños y agarrar dos de los quarks en el protón. Haces ejercicio, de modo que eres capaz de superar la fuerza de la fuerza nuclear fuerte que los mantiene unidos.

Pero hay algo raro en la fuerza fuerte: No disminuye con la distancia. Otras fuerzas, como la gravedad y el electromagnetismo, lo hacen. Pero la fuerza fuerte se mantiene tan fuerte como siempre, sin importar cuán lejos estén los quarks.

Así que a medida que arrastras a esos quarks, tienes que seguir agregando más y más energía para mantener la separación. Eventualmente agregas tanta energía que, siendo la energía equivalente a la masa y todo eso, nuevas partículas aparecen en el vacío entre los quarks. Nuevas partículas como quar otros quarks.

Estos nuevos quarks encuentran casi de inmediato a sus amigos recién separados y se unen, arrojando todo tu trabajo duro y sudor en un solo destello de energía antes de que la distancia entre ellos sea siquiera perceptible. Para cuando creas que has separado a los quarks, ya han encontrado nuevos a los que unirse. Este efecto se conoce como confinamiento de quarks: La fuerza fuerte es en realidad tan fuerte que nos impide ver un quark aislado.

Es una pena que nunca lleguemos a ver cuál es su color.

Obtenga más información escuchando el episodio » What makes the strong force so strong?»en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la Web en http://www.askaspaceman.com. ¡Gracias a Kayja N. y Ter B. por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haz tu propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter.

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