thumb|250px|Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales. thumb|Núcleo de un átomo de helio. Los dos protones tienen la misma carga, pero aún permanecen juntos debido a la fuerza nuclear residual. La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro interacciones fundamentales que el modelo estándar de la física de partículas establece para explicar las fuerzas entre las partículas conocidas. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
Es la mayor fuerza existente en todo el universo, no existe una fuerza equiparable con la interacción nuclear fuerte; pues esta es la que da la existencia de todo el universo en conjunto además de la interacción nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad.
Los efectos de esta fuerza solo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se la conoce como de corto alcance, en contraposición con las de largo alcance como la gravedad o la interacción electromagnética, que son estrictamente de alcance infinito.
La interacción fuerte es observable en dos rangos y está mediada por dos portadores de fuerza. A una escala mayor (de aproximadamente 1 a 3 femtómetros), es la fuerza (llevada por mesones) que une a protones y neutrones (nucleones) para formar el núcleo de un átomo. En la escala más pequeña (menos de unos 0,8 fm, el radio de un nucleón), es la fuerza (llevada por los gluones que mantiene unidos a los cuarks para formar protones, neutrones y otras partículas hadrónicas.Las cuatro fuerzas: la interacción fuerte Sitio web del Departamento de Astrofísica de la Universidad de Duke En este último contexto, suele conocerse como la fuerza del color. La fuerza fuerte tiene inherentemente una fuerza tan alta que los hadrones unidos por la fuerza fuerte pueden producir nuevas partículas masivas. Así, si los hadrones son golpeados por partículas de alta energía, dan lugar a nuevos hadrones en lugar de emitir radiación de movimiento libre (gluón). Esta propiedad de la fuerza fuerte se denomina confinamiento de color, e impide la «emisión» libre de la fuerza fuerte: en su lugar, en la práctica, se producen jets de partículas masivas.
En el contexto de los núcleos atómicos, la misma fuerza de interacción fuerte (que une a los cuarks dentro de un nucleón) también une a los protones y neutrones para formar un núcleo. En este sentido, se denomina fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual). Así que el residuo de la interacción fuerte dentro de los protones y los neutrones también une a los núcleos. Como tal, la interacción fuerte residual obedece a un comportamiento dependiente de la distancia entre los nucleones que es bastante diferente de cuando actúa para unir a los cuarks dentro de los nucleones. Además, existen distinciones en la energías de enlace de la fuerza nuclear de fusión nuclear frente a la fisión nuclear. La fusión nuclear representa la mayor parte de la producción de energía en el Sol y otras estrellas. La fisión nuclear permite la desintegración de elementos radiactivos e isótopos, aunque suele estar mediada por la interacción débil. De forma artificial, la energía asociada a la fuerza nuclear se libera parcialmente en la energía nuclear y en las armas nucleares, tanto en las armas de fisión basadas en uranio o plutonio como en las de fusión, como la bomba de hidrógeno.Sobre la energía de enlace: véase com/content/radioactivity/binding-energy-mass-defect/ Binding Energy, Mass Defect, Furry Elephant physics educational site, retr 2012-07-01sobre la energía de enlace: véase Chapter 4 Nuclear Processes, The Strong Force, M. Ragheb 1/27/2012, University of Illinois
La interacción fuerte está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre cuarks, anticuarks y otros gluones. Se cree que los gluones interactúan con los cuarks y otros gluones mediante un tipo de carga llamada carga de color. La carga de color es análoga a la carga electromagnética, pero se presenta en tres tipos (±rojo, ±verde, ±azul) en lugar de uno, lo que da lugar a un tipo de fuerza diferente, con reglas de comportamiento distintas. Estas reglas se detallan en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría de las interacciones cuark-gluón.
Historia Antes de la década de 1970, los físicos no estaban seguros de cómo se unía el núcleo atómico. Se sabía que el núcleo estaba compuesto por protones y neutrones y que los protones poseían una carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones eran eléctricamente neutros. Según los conocimientos de la física de la época, las cargas positivas se repelen entre sí y los protones cargados positivamente deberían hacer que el núcleo saliera despedido. Sin embargo, esto nunca se observó. Se necesitaba una nueva física para explicar este fenómeno.
Se postuló una fuerza de atracción más fuerte para explicar cómo el núcleo atómico estaba unido a pesar de la repulsión electromagnética mutua de los protones. Esta fuerza hipotética se denominó fuerza fuerte, que se creía que era una fuerza fundamental que actuaba sobre los protones y neutrones que componen el núcleo.
Más tarde se descubrió que los protones y los neutrones no eran partículas fundamentales, sino que estaban formados por partículas constitutivas llamadas cuarks. La fuerte atracción entre los nucleones era el efecto secundario de una fuerza más fundamental que unía a los cuarks en protones y neutrones. La teoría de la cromodinámica cuántica explica que los cuarks llevan lo que se llama una carga de color, aunque no tiene relación con el color visible. Los cuarks con carga de color diferente se atraen entre sí como resultado de la interacción fuerte, y la partícula que media en esto se llamó gluón.
Introducción Fuerzas en el núcleo atómico Antes de la década del 1970 se suponía que el protón y el neutrón eran partículas fundamentales. Entonces la expresión fuerza fuerte o fuerza nuclear fuerte se refería a lo que hoy en día se denomina fuerza nuclear o fuerza fuerte residual. Esa fuerza fuerte residual es la responsable de la cohesión del núcleo y hoy en día se interpreta como el campo de fuerza asociados a piones emitidos por protones, neutrones y demás hadrones (ya sean bariones o mesones). De acuerdo con la cromodinámica cuántica, la existencia de ese campo de piones que mantiene unido el núcleo atómico es solo un efecto residual de la verdadera fuerza fuerte que actúa sobre los componentes internos de los hadrones, los cuarks. Las fuerzas que mantienen unidos los cuarks son mucho más fuertes que las que mantienen unidos a neutrones y protones. De hecho las fuerzas entre cuarks son debidas a los gluones y son tan fuertes que producen el llamado confinamiento del color que imposibilita observar cuarks desnudos a temperaturas ordinarias, mientras que en núcleos pesados sí es posible separar algunos protones o neutrones por fisión nuclear o bombardeo con partículas rápidas del núcleo atómico.
Históricamente la fuerza nuclear fuerte se postuló de forma teórica para compensar las fuerzas electromagnéticas repulsivas que se sabía que existían en el interior del núcleo al descubrir que este estaba compuesto por protones de carga eléctrica positiva y neutrones de carga eléctrica nula. Se postuló también que su alcance no podía ser mayor que el propio radio del núcleo para que otros núcleos cercanos no la sintieran, ya que si tuviera un alcance mayor todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar un gran conglomerado de masa nuclear. Por esa razón se la denominó en aquel entonces fuerza fuerte. El modelo de Yukawa (1935) explicaba satisfactoriamente muchos aspectos de la fuerza nuclear fuerte o fuerza fuerte residual.
Modelo de cuarks 300px|thumb|right|Estructura de cuarks de un protón. Tras el descubrimiento de una gran cantidad de hadrones que no parecían desempeñar ningún papel fundamental en la constitución de los núcleos atómicos, se acuñó la expresión zoológico de partículas, dada la salvaje profusión de diferentes tipos de partículas cuya existencia no se entendía bien.
Muchas de estas partículas parecían interactuar mediante un tipo de interacción similar a la fuerza fuerte, por lo que se buscaron esquemas para comprender dicha diversidad de partículas. Un modelo postulado para explicar la existencia de toda la gran variedad de bariones y mesones fue el modelo de cuarks de 1963. Este modelo postulaba que los hadrones y mesones encontrados experimentalmente eran de hecho combinaciones de cuarks más elementales. Posteriormente experimentos a más altas energías mostraron que los propios bariones no parecían ser elementales y parecían constituidos de partes que se mantenían unidas entre sí por algún tipo de interacción mal comprendida. Esos descubrimientos finalmente pudieron ser interpretados de manera natural en términos de cuarks.
La aceptación de los cuarks como constituyentes de los hadrones permitió reducir la variedad contenida en el zoológico de partículas a un número de constituyentes elementales mucho más reducido, pero abrió el problema de cómo esos constituyentes más elementales se unían entre sí para formar neutrones, protones y otros hadrones. Dado que esa fuerza tenía que ser muy intensa y empezó a usarse el término «fuerza fuerte» o «interacción fuerte» en lugar de «fuerza nuclear fuerte» ya que la interacción fuerte aparecía en contextos diferentes del núcleo atómico. Los intentos teóricos por comprender las interacciones entre cuarks condujeron a la cromodinámica cuántica una teoría para de la fuerza fuerte que describe la interacción de los cuarks con un campo de gluones, que es lo que forma realmente los protones y neutrones (que definitivamente dejaron de ser considerados como partículas elementales). Durante algún tiempo después se denominó fuerza fuerte residual a la que anteriormente se había llamado fuerza fuerte, llamando a la nueva interacción fuerte fuerza de color.
Interacción pion-nucleón miniaturadeimagen|Interacción pión-nucleón y su modelo de cuark más simple La necesidad de introducir el concepto de interacciones fuertes surgió en la década de 1930, cuando quedó claro que ni el fenómeno gravitacional ni el fenómeno de la interacción electromagnética podían responder a la pregunta de qué une a los nucleones en los núcleos. En 1935, el físico japonés H. Yukawa construyó la primera teoría cuantitativa de la interacción que origina el intercambio de nucleones por nuevas partículas que ahora se conocen como mesones pi (o piones ). Las pionías se descubrieron posteriormente de forma experimental en 1947.
En esta «teoría pion-nucleón», la atracción o repulsión de dos nucleones se describía como la emisión de un pion por un nucleón y su posterior absorción por otro nucleón (por analogía con la interacción electromagnética, que se describe como el intercambio de un fotón virtual ). Esta teoría ha descrito con éxito una amplia gama de fenómenos en colisiones nucleón-nucleón y estados ligados, así como en colisiones de piones con nucleones. El coeficiente numérico, que determina la «eficiencia» de la emisión del pion, resultó ser muy grande (en comparación con el coeficiente análogo para la interacción electromagnética), lo que determina la «fuerza» de la interacción fuerte.Паули В. Мезонная теория ядерных сил. — М.: ИЛ, 1952Бете Г., Гофман Ф. Мезоны и поля. Т. 2. — М.: ИЛ, 1957А. Соколов, Д. Иваненко Классическая теория поля. — М.: Гостехиздат, 1951Соколов А. А., Иваненко Д. Д. Квантовая теория поля. — М.: Гостехиздат, 1951