Ισχυρές Αλληλεπιδράσεις

Άρθρο, Φεβρουάριος 2002

Η ιστορία των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων ξεκινάει από το 1934, όταν μελετήθηκαν με επιτυχία από τον Ιάπωνα κορυφαίο φυσικό Hideki Yukawa.

Ο Yukawa ακολούθησε τις ιδέες της κβαντικής θεωρίας πεδίου και δέχθηκε ότι σε μια βίαιη σύγκρουση δύο νουκλεονίων μπορούμε να περιμένουμε την εκπομπή ενός κβάντα του πυρηνικού πεδίου δυνάμεως. Η άποψη αυτή έμοιαζε με την κβαντική θεωρία πεδίου για την εκπομπή φωτονίων κατά την σύγκρουση δύο φορτισμένων σωματιδίων.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα κβάντα (σωματίδια) των πυρηνικών δυνάμεων είναι τα πιόνια αλλά και άλλα σωματίδια με μάζες πάνω από 0.1 GeV. Αλλά στις ημέρες που ο Yukawa έβγαλε την θεωρία του δεν ήταν γνωστό κανένα τέτοιο μεσόνιο, με μάζα 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου σύμφωνα με τους υπολογισμούς του. Πολύ αργότερα, το 1947, ο C.Powell ανακάλυψε στην κοσμική ακτινοβολία ένα σωματίδιο, με όμοιες ιδιότητες με το πιόνιο του Yukawa, που αλληλεπιδρούσε ισχυρά με τους πυρήνες και ονομάστηκε φυσικά πιόνιο.

Σήμερα οι φυσικοί χρησιμοποιούν μια διαφορετική ορολογία. Δέχονται ότι οι δυνάμεις ανάμεσα σε δύο νουκλεόνια που αλληλεπιδρούν, προέρχονται από την ανταλλαγή ενός πιονίου. Μάλιστα η εμβέλεια της δύναμης αυτής είναι αντιστρόφως ανάλογη με την μάζα του σωματιδίου που ανταλλάσσουν.

Σημερινή εικόνα

Στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής, το βασικό σωματίδιο ανταλλαγής των ισχυρών δυνάμεων είναι το γκλουόνιο, που είναι ο φορέας της ισχυρής δύναμης μεταξύ των κουάρκ. Επειδή όμως τα γκλουόνια και κουάρκ περιέχονται μέσα στο πρωτόνιο και νετρόνιο, οι μάζες που αποδίδονται σε αυτά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προβλέψουμε την περιοχή δράσης των δυνάμεων.

Η ιδιότητα των γκλουονίων να μετατρέπονται σε ζεύγη κουάρκ και αντικουάρκ, κάνει το πρωτόνιο να είναι γεμάτο από μια ολόκληρη "θάλασσα" από κουάρκ , αντικουάρκ και γκλουόνια. Όταν λοιπόν δούμε κάτι να εξέρχεται από ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο, τότε αυτό πρέπει να είναι ένα ζευγάρι κουάρκ-αντικουάρκ. 'Ετσι αυτό το ζευγάρι  κουάρκ-αντικουάρκ εύλογα μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι το πιόνιο του Yukawa, και από τη μάζα του μπορούμε να βρούμε την περιοχή δράσης των ισχυρών δυνάμεων. 

Όπως αναφέρει η θεωρία της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD), η ισχυρή δύναμη δεν αναπτύσσεται ανάμεσα στα νουκλεόνια, όπως πίστευε ο Yukawa, αλλά ανάμεσα σε κουάρκ με διαφορετικά χρώματα. Γι' αυτό λέγεται και δύναμη του χρώματος.

Τα κουάρκ εκπέμπουν και απορροφούν γκλουόνια πολύ συχνά μέσα σε ένα αδρόνιο σε σημείο που είναι αδύνατο να παρατηρήσει κανείς το χρώμα ενός συγκεκριμένου κουάρκ. Μέσα σ' ένα αδρόνιο το χρώμα των δύο κουάρκ που ανταλλάσσουν το γκλουόνιο θα αλλάξει με τέτοιο τρόπο που κρατά το σύστημα σε χρωματικά ουδέτερη κατάσταση.

Αλλά υπάρχει κάτι αξιοπερίεργο. Επειδή τα κουάρκ μέσα στα νουκλεόνια έχουν συνδυασμό χρώματος τέτοιο, ώστε να είναι άχρωμα, πως λοιπόν αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις ανάμεσα στα νουκλεόνια που υπερισχύουν των απωστικών ηλεκτρικών;

Η απάντηση είναι απλή. Δεν την ονομάζουμε ισχυρή δύναμη τυχαία. Η ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ ενός πρωτονίου με τα κουάρκ ενός άλλου πρωτονίου είναι συντριπτικά ισχυρότερη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. 

Αυτό το φαινόμενο αποκαλείται εναπομένουσα ισχυρή αλληλεπίδραση, και είναι η αιτία που κρατά τον πυρήνα ενωμένο.

Γνωρίσματα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων

• Εμφανίζονται μόνο μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων (που έχουν φορτία χρώματος)

• Ο φορέας τους είναι το γκλουόνιο, που υπάρχει σε 8 ανεξάρτητες καταστάσεις χρώματος (συνδυασμοί χρωμάτων-αντιχρωμάτων).

• Υπάρχουν τρία χρώματα (κόκκινο-μπλε-πράσινο) σε αντίθεση με τα δύο ηλεκτρικά φορτία.

• Το χρώμα είναι το "φορτίο" των ισχυρών δυνάμεων.

• Επειδή τα γκλουόνια δεν έχουν γεύση, η αλληλεπίδρασή τους δεν εξαρτάται από τη γεύση των κουάρκ.

• Το μέγεθος της σταθεράς σύζευξης  α των ισχυρών είναι περίπου 1. Δηλαδή είναι 137 φορές μεγαλύτερη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

• Η περιοχή δράσης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων είναι της τάξεως των 1.5x10^-15 m.