Un protón (primer plano) está formado por tres quarks, cada uno con una propiedad única llamada color. La fuerza nuclear fuerte los mantiene apretados.
(Imagen: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de Tu lugar en el universo. Sutter contribuyó con este artículo a Las voces expertas de Space.com: Op-Ed & 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 los imanes de luz y refrigerador, las fuerzas nucleares gemelas también juegan un papel clave, solo a escalas muy, muy pequeñas.
Que pequeño Imagínese en globo para convertirse en el tamaño del sistema solar. Tus manos nadan a través del Nube de Oort en sí, los planetas se encuentran sobre tu ombligo. Eres tan grande que las señales eléctricas tardan semanas o incluso meses en atravesar tu sistema nervioso, lo que hace que incluso los gestos más simples sean muy lentos.
Esa es la diferencia entre su tamaño actual (aproximadamente un par de metros) y 10 ^ 15 metros.
Ahora, ejecútalo en reversa. Imagine una escala tan pequeña que su cuerpo actual se siente tan vasto como el sistema solar. Una escala donde tus movimientos avanzan al ritmo más lento. Esta escala increíblemente pequeña es el femómetro: 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 cáscara 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 los quarks. Hay un total de seis tipos de quarks en la naturaleza, pero para nuestro examen minucioso 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 unido es lo que llamamos un protón.
Excepto que eso no debería tener ningún sentido.
Los dos quarks 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. No se debe permitir que esos dos quarks coexistan juntos de esa manera. ¡Y sin embargo, no solo se toleran entre sí, sino que parecen disfrutar realmente de la compañía!
¿Que esta pasando?
Un color diferente
En los años cincuenta y sesenta, los físicos comenzaron a darse cuenta de que el protón no es fundamental: puede descomponerse en partes más pequeñas. Entonces hicieron un montón de experimentos y desarrollaron un montón de teorías para romper esa nuez en particular. E inmediatamente se encontraron con a) la existencia de quarks yb) los acertijos desconcertantes de arriba.
Algo estaba sosteniendo esos tres quarks juntos. Algo muy, muy fuerte. Una nueva fuerza de la naturaleza.
La fuerza fuerte.
La fuerza fuerte entonces hipotetizada resolvió los problemas de los quarks coexistentes por simple fuerza bruta. ¿No te gusta estar juntos porque no puedes compartir el mismo estado? Bueno, lástima, la fuerza fuerte te obligará a hacerlo de todos modos, y proporcionará una solución a ese problema.
Y cada fuerza tiene un punto de conexión. Un 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 encontrar 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.
Por lo tanto, si usted o una partícula que conoce tiene esta nueva propiedad llamada color, 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 deben sumarse al blanco. Así, un quark se asigna para ser rojo, el otro para ser verde y el último para ser azul. La asignación particular de color en realidad no importa (y, de hecho, los quarks individuales cambian constantemente de color), lo que importa es que todos se suman al blanco y que la fuerza fuerte puede hacer su trabajo.
Esta nueva propiedad del color es lo 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.
Super fuerza
Imagina tomar dos alicates y agarrar dos de los quarks en el protón. Usted trabaja, por lo que puede superar la fuerza de la fuerza nuclear fuerte que los mantiene unidos.
Pero aquí hay algo extraño sobre la fuerza fuerte: no disminuye con la distancia. Otras fuerzas, como la gravedad y el electromagnetismo, lo hacen. Pero la fuerza fuerte sigue siendo tan fuerte como siempre, no importa cuán separados estén esos quarks.
Entonces, al tirar de esos quarks, debe 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, aparecen nuevas partículas en el vacío entre los quarks. Nuevas partículas como ... otros quarks.
Estos nuevos quarks encuentran casi de inmediato a sus amigos recién separados y se unen, lanzando todo su trabajo duro y sudando en un solo destello de energía antes de que la distancia entre ellos sea incluso notable. Cuando crees que has separado a los quarks, ya han encontrado otros nuevos a los que unirte. Este efecto se conoce como confinamiento de quark: la fuerza fuerte es tan fuerte que nos impide ver un quark de forma aislada.
Es una pena que nunca veamos de qué color es.
Aprende más escuchando el episodio "¿Qué hace que la fuerza fuerte sea tan fuerte?" 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! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter.
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