A força nuclear forte ocorre entre quais constituintes da matéria?

19 de fevereiro, 2020 às 18:51 | Postado em Estrutura da matéria, Física Nuclear, Física de Partículas, Interações fundamentais

A força nuclear forte se dá somente entre os quarks de um mesmo próton ou nêutron ou também mantém os prótons juntos no núcleo devido a atração forte entre os quarks de cada próton? Além disso, se os glúons unem os quarks, é correto pensar que eles são os mediadores da força nuclear forte?

A questão suscita uma discussão interessante sobre a diferença entre a força forte residual (ou força nuclear forte) e a força forte fundamental. A primeira refere-se à interação entre hádrons (por exemplo, os núcleons: prótons e nêutrons) e a segunda diz respeito à interação entre quarks e glúons confinados dentro destes hádrons. A interação entre os pártons (nome coletivo dos quarks e glúons) é descrita teoricamente pela Cromodinâmica Quântica (QCD), onde a carga fonte do campo forte é a cor (quarks e glúons são coloridos). A QCD é uma teoria quântica de campos dita de gauge ou de calibre (i.e., é invariante sobre transformação de simetria do grupo SU(3)). Neste tipo de teoria a intermediação da interação se dá pela troca de bósons de spin 1 (ditos de gauge) entre os quarks: os glúons. A QCD é uma teoria complexa, comparada com a Eletrodinâmica Quântica (QED, a interação entre partículas que possuem carga elétrica e intermediada por fótons) pois os glúons podem interagir entre si dado que também possuem a carga fonte do campo. A QCD inclui a propriedade do confinamento, ou seja a impossibilidade de termos quarks ou glúons livres fora dos hádrons (os hádrons são sem cor ou cor líquida nula).

Descrever a interação entre hádrons sem cor através dos graus de liberdade e do formalismo da QCD é uma tarefa extremamente complicada. Em geral, utiliza-se modelos efetivos (não derivados da QCD) envolvendo troca de mésons (como píons e rôs) que remontam historicamente ao modelo de Yukawa para a troca de mésons de spin 0 (píons) massivos entre núcleons no ano de 1935. César Lattes descobre experimentalmente este méson em 1947 e o produz artificialmente em 1948. Na terminologia força residual forte, o termo residual está associado ao fato que ela é o resíduo da forte interação fundamental entre os quarks que compõem os prótons e nêutrons. A força forte residual atua indiretamente por intermédio dos mésons π e ρ virtuais, que transmitem a força entre os núcleons responsáveis por manter o núcleo unido. Do ponto de vista da QCD no entanto, a troca de um píon ou múltiplos píons é especial, porque o píon é o estado mais leve predito pela QCD (QCD na rede: Lattice QCD) e a sua troca descreve rigorosamente a parte de maior alcance da interação. Isso pode ser formalizado e sistematicamente aprimorado usando a teoria de campos efetivos quirais. Para exemplos deste tipo de abordagens, veja as Refs. [1,2].

Deixando de lado as tecnicalidades complexas destas teorias, podemos usar uma analogia simples para entender a relação entre força residual forte (força nuclear forte) e a fundamental. Tomemos a interação entre átomos neutros, os quais são constituídos por partículas carregadas que interagem via interação eletromagnética. As forças eletromagnéticas entre átomos/moléculas neutros, descritos pelas forças de van der Waals, são muito mais fracas do que as forças eletromagnéticas que mantêm os elétrons em associação com o núcleo. Ou seja, podemos pensar a interação entre átomos neutros como uma interação residual eletromagnética originada pelos constituintes carregados eletricamente dentro dos átomos.

Referências:

[1] B.N. Lu, N. Li, S. Elhatisari, D. Lee, E. Epelbaum and U.G. Meißner, Essential elements for nuclear binding,  Phys. Lett. B797, 134863 (2019), https://arxiv.org/abs/1812.10928

[2] H. Nemura [HAL QCD Collaboration], Recent developments on LQCD studies of nuclear force, Int. J. Mod. Phys. E23, no. 7, 1461006 (2014),
https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218301314610060