Ce determină ca forţa nucleară tare să fie atât de specială?

Manualele de chimie pentru şcoala generală reprezintă protonii drept particule unitare, lăsându-ne cu impresia că aceştia reprezintă un element subatomic cu masă şi sarcină electrică pozitivă, aflaţi într-o perpetuă stare de agitaţie în interiorul nucleului. În realitate, fizicienii au ajuns la concluzia că protonii sunt, la rândul lor, compuşi din alte particule mai mici. Acestea au fost de numite quarci. În interiorul unui proton se află trei astfel de particule, un quarc down (d) şi doi quarci up (u).

 

În natură au fost identificate şase tipuri de quarci, însă, pentru a înţelege modul în care funcţionează un proton, quarcii up şi down sunt suficienţi. Fiecare quarc are o sarcină electrică propie. Astfel, ne aflăm în situaţia în care în proton se află două particule care au aceeaşi sarcină, fapt care contrazice intuiţia că particulele caută echilibrul electric. De asemenenea, din fizica cuantică aflăm că este imposibil ca doi quarci să se afle în aceeaşi stare. Asta ridică o întrebare foarte importantă: ce ţine împreună aceste particule, în condiţia în care ele nu ar trebui să coexiste? 

Răspunsul la întrebarea de mai sus a venit după ani de ipoteze, calcule şi experimente, primul pas în aflarea răspunsului fiind descoperirea faptului că protonul este format la rândul său din alte particule. De asemenea, oamenii de ştiinţă au descoperit că cei trei quarci sunt ţinuţi împreună de o forţă a naturii neidentificată până în atunci: forţa nucleară tare.

 

Pentru a înţelege modul în care funcţionează această forţă, este necesar să apelăm la ceea ce ştim deja despre celelate forţe fundamentale. De exemplu, gravitaţia acţionează prin intermediul masei, iar electromagnetismul acţionează prin intermediul sarcinii electrice. Deducem din aceste două cazuri că forţa nucleară tare are nevoie, la rândul ei, de un mijloc de interacţiune, de un „cârlig” prin care să lege aceste particule.

Oamenii de ştiinţă au propus culoarea ca termen care să exprime proprietatea unui quarc de a resimţi influenţa forţei nucleare tari. Au fost identificate trei tipuri de culori: verde, roşu şi albastru; există şi anti-verde, anti-roşu şi anti-albastru, acestea corespunzând antimateriei.

 

În componenţa unui proton, trebuie să existe câte un proton din fiecare culoare, iar „suma” acestor culori trebuie să fie mereu alb, asta pentru a permite forţei nucleare tari să acţioneze. Trebuie precizat că desemenarea culorilor reprezintă un aspect de convenţie, importantă fiind suma culorilor. De altfel, quarcii individuali schimbându-şi în mod constant culorile.

 

Forţa nucleară tare prezintă o caracteristică interesantă, care nu este împărtăşită cu alte forţe precum gravitaţia şi electromagnetismul. Dacă vorbim despre cele din urmă, un lucru este clar, distanţa afectează înfluenţa pe care acestea o pot exercita, creşterea distanţei echivalând cu diminuarea puterii. Forţa nucleară tare nu se supune acestui tipar, din contră. Astfel, dacă, de exemplu, vrem să despărţim quarcii dintr-un proton energia pe care o folosim pentru a distanţa particulele dau naştere, în vidul dintre ele, altor particule, noi quarci. 

 

Quarcii astfel creaţi identifică în mod instant alte particule cu care să se unească. De fapt, forţa nucleară tare este atât de puternică încât nu putem să găsim quarci care să existe în afara unui proton,independeţi de alţi quarci. Acest fenomen este denumit „quark confinement”.