¿Qué son las fuerzas nucleares fuerte y débil?

Física de partículas

Las partículas pueden interaccionar entre sí mediante diferentes tipos de fuerzas. Muchas de estas fuerzas se pueden describir a su vez como una manifestación de otro tipo de fuerzas más básicas, pero hay otras que no parecen ser reducibles a otros tipos de interacciones. Estas últimas son las que se conocen como fuerzas o interacciones fundamentales:

  1. Fuerza electromagnética
  2. Fuerza de la gravedad
  3. Fuerza nuclear fuerte
  4. Fuerza débil

De las cuatro interacciones fundamentales, la electromagnética y la gravitacional producen fuerzas de largo alcance y las podemos experimentar en nuestro día a día en escalas macroscópicas, mientras que los otros dos tipos de fuerzas, las fuerzas nucleares fuertes y débiles, actúan a distancias subatómicas y rigen las interacciones entre las partículas que forman los núcleos atómicos.

La fuerza débil se llama frecuentemente también fuerza nuclear débil, pero puede afectar a partículas más allá de los núcleos atómicos, por ejemplo a electrones, por lo que es preferible utilizar fuerza o interacción débil sin utilizar la palabra nuclear.

Fuerza nuclear fuerte

Como su nombre sugiere, la fuerza nuclear fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte o simplemente interacción fuerte, es la interacción fundamental más fuerte de las cuatro conocidas, y es la responsable de mantener unidas las partículas fundamentales de la materia para formar partículas más grandes y complejas.

En el Modelo Estándar de la física de partículas, la materia ordinaria estaría formada por la combinación de un tipo de partículas llamadas fermiones. Los fermiones se clasifican a su vez en quarks y leptones, y todos ellos interaccionan entre sí a través de los bosones o partículas portadoras.

Partículas elementales en el Modelo Estándar
Tipos de partículas elementales en el Modelo Estándar (Karl Tate, Livescience.com Infographics Artist)

Según este modelo, los quarks son uno de los tipos de partículas materiales más elementales. Los quarks se unen mediante fuerzas nucleares fuertes para formar otro tipo de partículas, los hadrones, siendo los protones y los neutrones dos tipos concretos de hadrones formados cada uno por tres quarks; según el tipo de quarks que se combinen, darán lugar a un protón o a un neutrón.

En el núcleo atómico, protones y neutrones se mantienen fuertemente unidos a pesar de la repulsión electromagnética que se da entre los protones, todos ellos con carga positiva. La fuerza nuclear fuerte fue propuesta en un principio para explicar como era posible que estas partículas se mantuvieran unidas y posteriormente se comprobó que no solo mantenía unidos protones y neutrones, sino que también era la fuerza responsable de mantener unidos los quarks que forman los hadrones.

En realidad, la fuerza nuclear fuerte mantiene unidos los quarks para formar los hadrones, y es tan fuerte que tan solo la fuerza fuerte residual es capaz a su vez de mantener unidos los hadrones para formar los núcleos atómicos.

Además de los protones y neutrones, actualmente se conocen más de 200 tipos de hadrones, todos ellos formados por diferentes tipos de quarks unidos gracias a la interacción nuclear fuerte. La mayoría de estos hadrones son de vida corta y se observan sólo en condiciones experimentales en los grandes aceleradores de partículas.

Gluones

En mecánica cuántica, las partículas de materia intercambian energía mediante el intercambio de partículas portadoras de interacción. Estas partículas se llaman bosones. En el caso concreto de la fuerza nuclear fuerte, este se debe al intercambio de un tipo específico de bosón llamado gluón.

En otras palabras, los quarks se mantienen unidos formando hadrones gracias al intercambio de gluones entre ellos.

Fuerza fuerte residual

Cuando tres quarks se unen para formar un protón o un neutrón, prácticamente toda la energía se utiliza en mantener a los quarks unidos. Como resultado, casi toda la fuerza nuclear fuerte queda contenida en la propia partícula, pero una pequeña parte puede actuar fuera de los protones y de los neutrones. Esta pequeña parte se denomina fuerza fuerte residual y es la que une al núcleo en su conjunto en contra de la fuerza de repulsión electromagnética entre protones.

Fuerza débil

La fuerza o interacción débil no es la fuerza fundamental más débil, pues es más fuerte que la gravedad, aunque la acción de la gravedad alcanza distancias grandes, en teoría infinitas, y la acción de la fuerza débil actúa en distancias subatómicas.

Los gluones eran un tipo de bosón que actuaba como partícula portadora de la fuerza nuclear fuerte, en el caso de la fuerza débil, hay dos partículas portadoras involucradas: los bosones W y los bosones Z.

Los bosones W y Z fueron predichos por Steven Weinberg, Sheldon Salam y Abdus Glashow, tres científicos que compartieron el premio Nobel en física de 1979. La existencia de estos bosones se comprobaría en 1983 en el CERN.

Los bosones W pueden presentar carga eléctrica positiva o negativa (W+ y W) y su interacción con los quarks los hace cambiar de un tipo de quark a otro, los transmuta, lo que provoca que un protón se pueda transformar en un neutrón y viciversa mediante la emisión de bosones W cargados. El bosón Z es neutral electricamente y su interacción con otras partículas es más difícil de detectar.

El proceso de transformación entre neutrones y protones por causa de la interacción débil se denomina desintegración o decamiento beta. Hay dos tipos. El decaimiento beta negativo (β) transforma un neutrón en un protón, un electrón y antineutrino. En el decaimiento beta positivo (β+), un protón se transforma en un neutrón, un positrón y un neutrino. Así, un elemento se puede ir transformando en otro, algo que se puede ver más claro en los proceso de fusión nuclear.

Interacción débil y fusión nuclear

La interacción débil tiene un papel fundamental en la fusión nuclear que se da en estrellas, reactores nucleares o en bombas termonucleares. Gracias a la transformación de protones y neutrones que provoca la fuerza débil, un elemento se puede transformar en otro. En las supernovas, donde se liberan grandes cantidades de energía, se pueden crear elementos más pesados que los originales al ir fusionándose; estos elementos pesados son expulsados al espacio cuando la supernova explota y acaban siendo los componentes que forman los planetas.

Un ejemplo de fusión nuclear típico comienza con la fusión de dos protones. Para hacerlo hace falta una gran cantidad de energía que supere la repulsión electromagnética entre ambos, pero si se consiguen acercar los suficiente, entrará en juego la fuerza nuclear fuerte para mantenerlos unidos. El núcleo formado es un núcleo inestable de helio con dos protones (2He), al contrario que el núcleo estable de helio que tiene dos protones y dos neutrones (4He).

Ahora entra en juego la fuerza de interacción nuclear débil. El exceso de protones en el 2He lleva a que uno de ellos sufra desintegración beta y se transforme en un protón. Al continuar con la fusión, se van formando núcleos mayores y más estables, hasta que eventualmente se forman núcleos estables de 4He. La masa final es menor que la suma de los núcleos iniciales por separado y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía que retroalimentan la reacción. Esto es lo que ocurre en el interior de las estrellas.

Fusión nuclear del Helio
Fusión nuclear del Helio

Así, la fuerza nuclear fuerte es la principal fuerza de unión de las partículas en los núcleos atómicos, mientras que la fuerza débil es la interacción que interviene en su decamiento y es la responsable de la mayor parte de la radiación que se produce en el Universo, siendo además la fuerza que alimenta la combustión de las estrellas y la formación de nuevos elementos .