La fuerza nuclear , que se ejerce entre los nucleones , es responsable de la unión de protones y neutrones en los núcleos atómicos . Puede interpretarse en términos de intercambios de mesones ligeros, como los piones . Aunque su existencia se ha demostrado desde la década de 1930, los científicos no han logrado establecer una ley para calcular su valor a partir de parámetros conocidos, contrariamente a las leyes de Coulomb y Newton .
A veces se le llama fuerza residual fuerte , para distinguirla de la interacción fuerte que se explica a partir de la cromodinámica cuántica . Esta formulación se introdujo en la década de 1970 debido a un cambio de paradigma . Anteriormente, la fuerza nuclear fuerte se refería a la fuerza entre nucleones. Tras la introducción del modelo de quarks , la interacción fuerte se refirió a las fuerzas definidas por la cromodinámica cuántica, que interactúan con los quarks, debido a su carga de color. Dado que los nucleones no tienen carga de color , la fuerza nuclear no involucra directamente a los gluones , las partículas mediadoras de la interacción fuerte, sino a otros procesos.
La fuerza nuclear ha estado en el corazón de la física nuclear desde el nacimiento de esta disciplina en 1932 con el descubrimiento del neutrón por James Chadwick . El objetivo tradicional de la física nuclear es comprender las propiedades del núcleo atómico en sus interacciones "desnudas" entre pares de nucleones o fuerzas nucleón-nucleón ( NN ).
En 1935, Hideki Yukawa fue el primero en intentar explicar la naturaleza de la energía nuclear. Según su teoría, los bosones masivos ( mesones ) median la interacción entre dos nucleones. Aunque, a la luz de la cromodinámica cuántica , la teoría de los mesones ya no se considera fundamental, el concepto de intercambio de mesones (en el que los hadrones se tratan como partículas elementales ) sigue representando el mejor modelo cuantitativo para el potencial NN .
Históricamente, la simple descripción cualitativa de la fuerza nuclear ha demostrado ser una tarea considerable, y la construcción de los primeros modelos cuantitativos semi-empíricos a mediados de la década de 1950 solo intervino después de un cuarto de siglo de investigación. Por lo tanto, se produce un progreso sustancial en los campos experimental y teórico relacionados con la fuerza nuclear. La mayor parte de las preguntas fundamentales se resolvieron en los años 1960 y 1970. Más recientemente, los experimentadores han centrado en los aspectos sutiles de la fuerza nuclear, tales como la dependencia responsable, la determinación precisa de la constante de acoplamiento π NN , mejora. El análisis del desplazamiento de fase , datos de medición de alta precisión y potencial NN , difusión NN para energía intermedia y alta, e intentos de describir la fuerza nuclear a partir de QCD.
Los sistemas de dos nucleones como el deuterón o la dispersión de protón-protón o neutrón-protón Son ideales para estudiar la fuerza NN . Estos sistemas pueden describirse asignando un potencial (Como el potencial de Yukawa ) a los nucleones y utilizando los potenciales en una ecuación de Schrödinger . Este método permite determinar la forma del potencial, aunque para interacciones de largo alcance, las teorías que involucran intercambios de mesones facilitan su construcción. Los parámetros potenciales se determinan ajustando los datos experimentales de manera que la energía de enlace del deuterón o las secciones transversales de dispersión elástica NN (o, de manera equivalente en este contexto, los denominados desplazamientos de fase NN ).
Los potenciales NN más utilizados son, en particular, el potencial de París , el potencial de Argonne AV18 y el potencial de CD-Bonn y los potenciales de Nijmegen .
El potencial nuclear también contiene el potencial de Coulomb, que no solo es repelente entre protones sino que es atractivo entre un protón de carga eléctrica + e y un neutrón que contiene cargas eléctricas de suma cero. El potencial de Coulomb también tiene una parte magnética (según la ley de Biot y Savart ), generalmente repulsiva entre nucleones.
Podríamos ver en la física nuclear un único objetivo: describir el conjunto de interacciones nucleares a partir de las interacciones fundamentales entre nucleones. A esto se le llama enfoque microscópico o ab initio . Sin embargo, se deben superar dos obstáculos importantes para ello:
Sin embargo, gracias a los crecientes avances en las potencias de cálculo utilizables, los cálculos microscópicos que producen directamente un modelo en capas a partir de dos o tres potenciales de nucleones se han hecho posibles y se han intentado para núcleos de hasta una masa atómica de 12..
Un enfoque nuevo y muy prometedor es desarrollar teorías efectivas para una descripción coherente de las fuerzas nucleón-nucleón y las fuerzas de tres nucleones. En particular, podemos analizar la ruptura de la simetría quiral como una teoría efectiva (llamada teoría de perturbación quiral ), que permite un cálculo por perturbación de las interacciones entre nucleones, siendo los piones las partículas de intercambio.
Una forma exitosa de describir las interacciones nucleares es construir un potencial para todo el núcleo, en lugar de examinar los nucleones que lo componen. Este enfoque se llama macroscópico . Por ejemplo, la dispersión de neutrones por núcleos se puede describir considerando una onda plana en el potencial del núcleo, que consta de una parte real y una parte imaginaria. Este modelo a menudo se denomina "modelo óptico" por analogía con el fenómeno de la dispersión de la luz por una esfera de vidrio opaco.
Los potenciales nucleares pueden ser locales o globales : los potenciales locales se limitan a un rango restringido de energías y / o masas, mientras que los potenciales globales, que tienen más parámetros y suelen ser menos precisos, son una función de la energía y la masa del núcleo, y por lo tanto, se puede utilizar en un campo más amplio de aplicaciones.