En física de partícules, la força nuclear forta, també anomenada força forta, interacció nuclear forta o interacció forta és una de les quatre forces fonamentals de l'Univers. Les altres tres són la gravitació, l'electromagnetisme i la força nuclear feble. A escala atòmica, és 137 vegades més forta que l'electromagnetisme, que al seu torn és diversos ordres de magnitud més fort que la força nuclear feble () i la gravitació ().

La força nuclear forta actua sobre els mesons i barions, les partícules compostes formades per quarks i antiquarks. La interacció d'aquesta força és portada per uns bosons anomenats gluons, de manera equivalent a la força electromagnètica que és portada pels fotons. Aquesta força és la responsable que els quarks es mantinguin units per a formar els barions (com els protons o els neutrons) i els mesons (com els pions o els kaons), i també és la responsable que els protons i els neutrons es mantinguin units al nucli.Weak Interaction Studies by Precision Experiments in Nuclear Beta Decay, Nathal Severijns, Instituut voor Kern- en Stralingsfysica, Katholieke Universiteit Leuven . Pàg. 342. La força nuclear forta té un abast al voltant d'un femtòmetre (de vegades anomenat fermi en honor d'Enrico Fermi), uns 10-15 metres, i ha de ser prou forta com per a contrarestar la intensa força repulsiva que hi ha entre els protons; l'energia de la força nuclear forta entre dos protons és de l'ordre de MeV (megaelectró volt). La força nuclear forta no és afectada per la càrrega elèctrica de les partícules: afecta per igual protons i neutrons. La teoria que explica aquesta força és la cromodinàmica quàntica (QCD de l'anglès quantum chromodynamics), que va ser proposada el 1973 per Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler i Murray Gell-Mann.Facts about Harald Fritzsch: quantum chromodynamics, as discussed in quantum chromodynamics, Encyclopaedia Britannica

Història Abans de la dècada del 1970, els físics no sabien de cert quin era el mecanisme que mantenia unit el nucli atòmic. Se sabia que el nucli estava format per protons i neutrons i que els protons tenien una càrrega elèctrica positiva mentre que els neutrons eren elèctricament neutres. No obstant això, aquests fets semblaven contradir-se. Segons el coneixement de la física acceptat en aquell moment, les càrregues positives s'havien de repel·lir entre si i, per tant, el nucli s'havia d'arribar a trencar. Però això no s'observava mai. I, per tant, calia una nova física per a explicar aquest fenomen.

Més tard, es va descobrir que els protons i els neutrons no eren partícules fonamentals, sinó que eren formats per altres partícules més petites anomenats quarks. La forta atracció que hi havia entre els nucleons era l'efecte secundari d'una força més fonamental que mantenia units els quarks dins els protons i els neutrons. La teoria de la cromodinàmica quàntica explica que els quarks porten el que s'anomena càrrega de color, tot i que malgrat el nom no hi ha cap relació amb els colors visibles.

Els quarks amb diferent càrrega de color s'atreuen entre si com a resultat de la interacció forta, que es transmet mitjançant uns bosons, unes partícules anomenades gluons.

Introducció Forces en el nucli atòmic Abans de la dècada del 1970, se suposava que el protó i el neutró eren partícules fonamentals. Llavors, l'expressió força forta o força nuclear forta es referia al que avui en dia s'anomena força nuclear o força forta residual. Aquesta força forta residual és la responsable de la cohesió del nucli i avui dia s'interpreta com el camp de força associat a pions emesos per protons, neutrons i altres hadrons (ja siguin barions o mesons). D'acord amb la cromodinàmica quàntica, l'existència d'aquest camp de pions que manté unit el nucli atòmic és només un efecte residual de la veritable força forta que actua sobre els components interns dels hadrons, els quarks. Les forces que mantenen units els quarks són molt més fortes que les que mantenen units neutrons i protons. De fet, les forces entre quarks són degudes als gluons i són tan fortes que produeixen l'anomenat confinament de color que impossibilita observar quarks nus a temperatures ordinàries, mentre que en nuclis pesants sí que és possible separar alguns protons o neutrons per fissió nuclear o bombardeig amb partícules ràpides del nucli atòmic.

Històricament, la força nuclear forta es va postular de manera teòrica per a compensar les forces electromagnètiques repulsives que se sabia que existien a l'interior del nucli, en descobrir que aquest estava compost per protons de càrrega elèctrica positiva i neutrons de càrrega elèctrica nul·la. Es va postular també que el seu abast no podia ser més gran que el mateix radi del nucli perquè altres nuclis propers no la sentissin, ja que si tingués un abast major tots els nuclis de l'Univers s'haurien col·lapsat per formar un gran conglomerat de massa nuclear. Per aquesta raó, se la va denominar per aquell temps força forta. El model de Yukawa (1935) explicava satisfactòriament molts aspectes de la força nuclear forta o força forta residual.

Model de quarks Després del descobriment d'una gran quantitat d'hadrons que no semblaven exercir cap paper fonamental en la constitució dels nuclis atòmics, es va encunyar l'expressió zoològic de partícules, donada la salvatge profusió de diferents tipus de partícules l'existència de les quals no s'entenia bé.

Moltes d'aquestes partícules semblaven interaccionar mitjançant un tipus d'interacció semblant a la força forta, per la qual cosa es van buscar esquemes per comprendre aquesta diversitat de partícules. Un model postulat per explicar l'existència de tota la gran varietat de barions i mesons fou el model de quarks del 1963. Aquest model postulava que els hadrons i mesons trobats experimentalment eren, de fet, combinacions de quarks més elementals. Posteriorment, experiments a més altes energies mostraren que els mateixos barions no semblaven ser elementals i semblaven constituïts de parts que es mantenien unides entre si per algun tipus d'interacció incomprès. Aquests descobriments, finalment, van poder ser interpretats de manera natural en termes de quarks.

L'acceptació dels quarks com a constituents dels hadrons permeté reduir la varietat continguda en el zoològic de partícules a un nombre de constituents elementals molt més reduït, però va obrir el problema de com aquests constituents més elementals s'unien entre si per formar neutrons, protons i altres hadrons. Atès que aquesta força havia de ser molt intensa, va començar a usar-se el terme "força forta" o "interacció forta" en lloc de "força nuclear forta", ja que la interacció forta apareixia en contextos diferents del nucli atòmic. Els intents teòrics per a comprendre les interaccions entre quarks conduí a la cromodinàmica quàntica, una teoria sobre la força forta que descriu la interacció dels quarks amb un camp de gluons, que és el que forma realment els protons i neutrons (que definitivament van deixar de ser considerats com a partícules elementals). Durant algun temps després, es va denominar força forta residual la que anteriorment s'havia anomenat força forta, i s'anomenà la nova interacció forta força de color.

Principis La teoria que descriu la interacció forta és la cromodinàmica quàntica, també coneguda pel seu acrònim anglès QCD (Quantum ChromoDynamics), que forma part del model estàndard de la física de partícules. Segons aquesta teoria, cada quark porta una càrrega de color que pot ser de tres tipus: blava, verda o vermella. Aquests colors són només uns noms que identifiquen cada tipus de càrrega, sense que n'hi hagi cap amb els colors en el seu sentit habitual. Per la seva banda, els antiquarks porten una càrrega antiblava (també rep el nom de groga, verd + vermell), antiverda (també anomenada magenta, blau + vermell) o antivermella (també anomenada cian, blau + verd). Un hadró només pot existir si el color de la seva càrrega total és neutre o blanc, el que seria un singlet de color. Un mesó es compon d'un parell quark-antiquark, que només pot ser una combinació simètrica de blau-antiblau, verd-antiverd o vermell-antivermell. De la mateixa manera, un barió estarà format per tres quarks, o tres antiquarks, que hauran de portar un color diferent blau, verd i vermell o antiblau, antiverd i antivermell, de manera que la suma dels tres colors serà neutra. miniatura|La interacció de quarks dins d'un neutró es deu a la força forta Els gluons, que són els intermediaris de la interacció forta, porten al mateix temps un color i un anticolor, per exemple, blau-antivermell o bé verd-antiblau. Hi ha nou possibilitats de combinació de color i anticolor, però només hi ha vuit gluons a causa de raons matemàtiques derivades de la simetria de Galga SU(3), que és la base de la cromodinàmica quàntica; la combinació lineal blau-antiblau + verd-antiverd + vermell-antivermell és completament neutra i no correspon a cap gluó. La interacció d'un gluó amb un quark pot modificar el color del quark: un gluó blau-antivermell absorbit per un quark vermell el transforma en un quark blau; o un quark verd podria emetre un gluó verd-antivermell i esdevindria vermell. Una conseqüència d'aquest mecanisme és que la càrrega de color d'un quark canviarà de manera contínua per intercanvi de gluons amb els seus veïns, però la càrrega total d'un sistema de partícules aïllat es conservarà al llarg del temps. El parell quark-antiquark d'un mesó passa constantment de vermell-antivermell a verd-antiverd, per intercanvi d'un gluó vermell-antiverd, o a blau-antiblau, etc. Només la suma dels colors és neutra.

Una característica particular de la interacció forta és que també actua sobre les seves partícules mediadores, és a dir, els gluons, actuant sobre la seva càrrega de color. Per exemple, un gluó verd-antivermell pot absorbir un gluó blau-antiverd per a esdevenir un de blau-antivermell. Aquest fenomen és marginal en el cas de les altres interaccions fonamentals: el fotó, per exemple, no està carregat elèctricament (de fet, la interacció feble presenta una característica semblant amb la càrrega dels W+ i W–, però les conseqüències d'aquesta interacció són negligibles). Per a la interacció forta, aquesta característica comporta que el seu radi d'acció sigui de molt curt abast, de l'ordre del diàmetre d'un hadró (~ 1 fm). Una altra conseqüència és que la força entre dos quarks és gairebé constant, a diferència d'altres interaccions en què la força disminueix de manera inversament proporcional al quadrat de la distància; en el cas de la interacció forta, el comportament és el contrari i la força augmenta a mesura que se n'incrementa la distància. Per tant, si intentem de separar dos quarks, s'haurà d'esmerçar una quantitat d'energia que s'anirà incrementant a mesura que n'augmenti la distància. En un moment donat, s'haurà proporcionat prou energia per a crear nous quarks o antiquarks que s'uniran als quarks inicial per a crear nous hadrons.

Això explica el fet que no podem observar un únic quark; qualsevol intent d'aïllar un quark (o un gluó) conduirà a la creació de nous quarks que formaran un hadró amb el primer quark. Aquest fenomen s'anomena confinament dels quarks. Paral·lelament a això, dos quarks que són molt a prop pràcticament no interaccionen i els podem considerar lliures (com els dos extrems d'una molla en repòs), és el que s'anomena llibertat asimptòtica,La força dels quarks. Premi Nobel de física , Anuaris.cat descoberta l'any 1973 de manera independent per David Gross i Frank Wilczek per una banda i David Politzer de l'altra, i que els va valdre el Premi Nobel de Física del 2004. L'any 2000, el CERN va presentar proves d'un nou estat de la matèria, el plasma de quarks i gluons, que hauria existit una desena de microsegons abans del big-bang; en aquest estat, els quarks i els gluons serien en un estat completament lliure sense formar partícules més complexes.

Interacció forta residual