La interacción fuerte y Cromodinámica cuántica

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí  las partículas también tienen la carga de color. Aunque posee fuerte intensidad, sólo se da a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora es el gluón. 

Hay una teoría que describe esta interacción y es=  La teoría Cromodinamica Cuántica propuesta por David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, durante 1980s.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la fuerza nuclear fuerte, actuando dentro del núcleo atómico entre los protones y neutrones; Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza más fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada interacción fuerte residual.⁶ Esta interacción entre nucleones(protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

Antes de la cromodinámica cuántica se consideraba que esta fuerza residual que mantenía unidos los protones del núcleo era la esencia de la interacción nuclear fuerte, aunque hoy en día se asume que la fuerza que une los protones es un efecto secundario de la fuerza de color entre quarks, por lo que las interacciones entre quarks se consideran un reflejo más fundamental de la fuerza fuerte.

La fuerza nuclear fuerte entre nucleones se realiza mediante piones, que son bosones másicos, y por esa razón esta fuerza tiene tan corto alcance. Cada neutrón o protón puede "emitir" y "absorber" piones cargados o neutros, la emisión de piones cargados comporta la transmutación de un protón en neutrón o viceversa (de hecho en términos de quarks esta interacción se debe a la creación de un par quark-antiquark, el pión cargado no será más que un estado ligado de uno de los quarks originales y más un quark o antiquark de los que se acaban de crear). La emisión o absorción de piones cargados responden a alguna de las dos interacciones siguientes:

{\displaystyle p^{+}+n^{0}\to (n^{0}+\pi ^{+})+n^{0}\to n^{0}+(\pi ^{+}+n^{0})\to n^{0}+p^{+}}

{\displaystyle n^{0}+p^{+}\to (p^{+}+\pi ^{-})+p^{+}\to p^{+}+(\pi ^{-}+p^{+})\to p^{+}+n^{0}}

En la primera reacción anterior un protón emite inicialmente un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el pión positivo es reabsorbido por un neutrón convirtiéndose en un protón, el efecto neto de ese intercambio es una fuerza atractiva. En la segunda, un neutrón emite un pión negativo y se convierte en un protón, el pión negativo al ser reabsorbido por otro protón da lugar a un neutrón. 

La cromodinámica cuántica: es una teoría  que describe la interacción entre quarks y gluones. Los quarks desempeñan un papel análogo a los electrones y neutrinos del modelo electro débil, los gluones son los bosones de gauge de la teoría, y desempeñan un papel análogo a los fotones en la QED.

Según esta teoría, el carácter de la interacción fuerte está determinado por una simetría especial entre las cargas de color de los quarks. Se conoce a esta simetría como el grupo de gauge y los quarks se transforman bajo este grupo como tripletes de campos fermiónicos de Dirac. Aunque las expansiones per turbativas eran importantes para el desarrollo de la QCD, esta también predice muchos efectos no per turbativos tales como confinamiento, condensados fermiónicos e instantones.