El documento describe la cromodinámica cuántica (CDC), la teoría física que explica la interacción fuerte entre partículas subatómicas. Explica que los nucleones están compuestos de quarks que intercambian gluones, lo que causa la fuerza que mantiene unidos a los quarks. También describe las cuatro interacciones fundamentales y sus respectivos mediadores, siendo los gluones los mediadores de la interacción fuerte de corto alcance entre partículas coloreadas como los quarks.

1. Cromodinámica cuántica (CDC o QCD) Teoría física de la interacción fuerte entre partículas elementales (Semana de la Ciencia. IES de Cangas del Narcea) Julio Valbuena Herrero Jvh-CDC.

2. Esquema Hacia la Cromodinámica Cuántica (CDC) El núcleo atómico y sus componentes La Cromodinámica Cuántica (CDC) Conclusiones

3. Introducción Hacia 1860 los físicos (Faraday, Maxwell ) desarrollaron la teoría que describe la interacción electromagnética . Desde entonces y hasta hoy sus aplicaciones prácticas no han dejado de facilitarnos la vida y el progreso: electricidad, radio-tv, electrónica, informática, aparatos médicos, gps, internet, electrodomésticos... En el decenio de 1960 surgió la teoría física que describe la interacción fuerte (cromodinámica). Los progresos que nos pueda acarrear, aunque no los podamos imaginar, serán visibles, seguro, en el futuro. Sin ir más lejos, ¿quién no está interesado o preocupado por las fuentes de energía? La energía que emana de las estrellas está gobernada por esta interacción. ¿Podremos imitarlas? ¿No nos deparará en el futuro una nueva micro-nanotecnología?

4. Conocimientos previos Cuerpos (sólidos, líquidos o gases)  moléculas  átomos (10 -10 m)  partículas: protones (p + ), neutrones (n 0 ) y electrones (e - ). Fuerzas o interacciones de la naturaleza: gravedad, electromagnetismo (¿fuerza química? ¿fuerza mecánica?) Las interacciones conocidas poseen un alcance ilimitado. La masa y la energía son intercambiables según la fórmula de Einstein:

5. Preguntas previas ¿Las partículas anteriores (p + n 0 e - , junto con el fotón γ ) son las únicas existentes? ¿Alguien conoce alguna más? ¿Son realmente “fundamentales” (en el sentido de “indivisibles y constituyentes últimos” del universo)? ¿Hay otras “fuerzas” básicas en la naturaleza? ¿Qué alcance e intensidad tienen las interacciones básicas? ¿Cómo se transmiten o propagan? ¿Podría encontrarse una explicación física de estas interacciones  teoría física? Iniciemos un “viaje” al mundo subatómico. Pero analicemos primero la interacción mejor conocida: el electro-magnetismo

6. La interacción electromagnética La teoría física que la explica se llama electrodinámica cuántica (EDC o QED). Afecta a las partículas cargadas (positiva o negativamente). Se describe como un intercambio de fotones (cuantos del campo e-m) virtuales entre las partículas cargadas. El fotón carece de masa en reposo; por ello el alcance del e-m es ilimitado. El fotón transporta energía e impulso desde una partícula a otra. El fotón es neutro; no tiene carga. Diagrama de Feynman básico

7. El núcleo atómico Tamaño: diezmilésima parte del átomo ( ≃ 10 -14 m). Masa: prácticamente toda la del átomo. Compuesto de nucleones: protones (carga +) y neutrones (carga nula)  cargado positivamente. ¿Qué contrarresta la fuerte repulsión eléctrica entre protones?  una nueva fuerza: interacción fuerte . Esta nueva fuerza: Es más intensa que la electromagnética. Liga o pega los nucleones: p ⇔p, p ⇔n, n⇔n (no distingue entre ellos). No se aprecia a nuestra escala (corto alcance). Es responsable de reacciones nucleares: fusión, fisión, origen de los elementos.

8. Los nucleones (y otros hadrones) Los experimentos demuestran que: Son de tamaño muy pequeño, pero mucho mayores que los electrones . Existen, además, muchísimas partículas (N>100) que experimentan la interacción fuerte (son de vida efímera y se observan a muy altas energías). Tal cantidad de partículas diferentes hace pensar que están compuestas de otras más básicas . No son elementales: poseen estructura interna  están compuestos de subpartículas llamadas quarks ( Gell-Mann 1964). Se conocen seis tipos de quarks (con sus correspondientes antiquarks), agrupados en tres generaciones de parejas. Todos los nucleones están compuestos de los quarks de la primera generación .

9. Estructura de los hadrones Los bariones : constan de tres quarks p + =uud n 0 =udd ( Σ + =uss Δ ++ =uuu) Los antibariones : constan de tres antiquarks Los mesones : constan de una pareja quark-antiquark ¿Por qué se dan sólo estas combinaciones de quarks? Por la naturaleza “cromática” de la interacción fuerte.

10. Fundamentos del color Tres colores básicos. Su tri-mezcla da blanco. Dos posibles elecciones: Rojo, verde, azul (RGB) Amarillo, cián, magenta (YCM) Los colores enfrentados son opuestos. Su di-mezcla da blanco. Elección por convenio del trío básico.

11. Quarks coloreados El color de cada quark puede cambiar con el tiempo. Los 3 quarks de un nucleón dan blanco (nucleones sin carga de color). Gluones  intercambios de color  interacción fuerte. Cada quark posee un color R, G o B ( carga de color ).

12. Antiquarks coloreados Cada antiquark posee un color A, C o M (carga de anticolor ). El color de cada antiquark también cambia. Los 3 antiquarks de un antinucleón dan blanco. (antinucleones sin carga de color) Gluones  intercambios de color  interacción fuerte.

13. Gluones (incoloros y coloreados) Los cuantos del campo de color se llaman gluones (del inglés “to glue”: pegar) Existen ocho: dos incoloros (G 1 G 2 ) y seis coloreados (color + anticolor) Los coloreados pueden interaccionar entre sí (poseen carga de color )  características de confinamiento y libertad asintótica

14. Hadrones: partículas incoloras Los nucleones (y en general todos los hadrones) pasan a ser agregados de tres quarks (bariones) o de quark-antiquark (mesones) de mezcla blanca ( incoloros ). Otras combinaciones no son posibles. El intercambio constante de gluones proporciona la fuerza que liga a los quarks y antiquarks para formar las partículas. Los cambios de color inducidos por el intercambio de gluones se realizan siempre de modo que globalmente se mantengan blancos.

15. Conclusiones físicas 1 Constituyentes básicos: partículas -y antipartículas- fundamentales (1ª generación). Todas comparten la doble naturaleza onda-corpúsculo

16. Conclusiones físicas 2 Se conocen 4 fuerzas o interacciones fundamentales . Se describen como un intercambio de mediadores virtuales que transmiten la fuerza (cuantos del campo que portan energía e impulso lineal) a una velocidad finita. Todas Gravitones Infinito 10 -39 Gravitatoria Quarks y leptones Bosones W + W - Z 0 Muy corto ≃ 10 -17 m 10 -5 Débil Partículas cargadas Fotones Infinito 10 -2 Electro-magnética Partículas coloreadas Gluones Corto ≃ 10 -15 m 1 Fuerte (CDC) Afecta a Mediador Alcance Intensidad Interacción

17. Conclusiones físicas 3 Esquema común de las 4 interacciones (diagramas de Feynman )