El núcleo atómico es mucho más complejo de lo que pensamos y está repleto de unas partículas compuestas llamadas piones. Estos piones son capaces de superar la repulsión electromagnética de los protones del núcleo

A mediados del siglo XX la cantidad de partículas aparentemente fundamentales explotó. El electrón, el protón y el neutrón ya hacía décadas que se conocían. En 1947 apareció una nueva partícula, el pión, cuyo papel era mantener a protones y neutrones unidos en el núcleo atómico. El descubrimiento de este pion, que fue observado por primera vez en la cima de una montaña boliviana, fue bienvenido, pues hacía tiempo que se le esperaba y su función dentro de la naturaleza podía entenderse. El descubrimiento ese mismo año de una partícula similar pero diferente, a la que llamamos kaon, fue más inesperado. Como también lo fue el descubrimiento del mesón ro (ρ), el eta (η), el eta prima (η’), el delta (δ), el lambda (λ) y el ji (χ). En un abrir y cerrar de ojos, la física de partículas se había quedado sin letras griegas o latinas con las que bautizar a las nuevas partículas descubiertas. En los catálogos de partículas de la actualidad podemos encontrar nombres tan románticos y evocadores como f0(500) ó D*3 (2750).

A finales de los años 60 se habían descubierto cientos de partículas supuestamente elementales y la situación parecía innecesariamente complicada. Estaba claro que todas estas partículas encontradas no podían ser fundamentales y que como ya había ocurrido un siglo antes con la creación de la tabla periódica de los elementos, debía haber una estructura interna que explicara la variedad de partículas observadas. Sin embargo, no resultaba para nada sencillo encontrar una explicación que resolviera todas las propiedades conocidas. Pero la respuestas a las incontables preguntas que se hicieron los científicos en aquella época llegaron a principios de los años 70. En parte, esta respuesta estaba en la existencia de unas partículas llamadas quarks, que en diferentes combinaciones daban lugar a todas las demás. Pero tan importantes como los quarks fue la fuerza que los mantenía unidos, con propiedades muy diferentes a lo que se conocía hasta ese momento. Esta era la fuerza nuclear fuerte.

En su forma más pura y simple, esta fuerza nuclear fuerte, o interacción fuerte como también se la suele llamar, es la que sienten las partículas que tienen lo que conocemos como carga de color. Esta carga es equivalente a la carga eléctrica, pero en vez de dos tipos (negativa y positiva), existen tres tipos diferentes y los objetos con color neutro se forman combinando estos tres tipos. Por la similitud de esta propiedad con el funcionamiento de las luces de colores, hemos dado este nombre a la carga, aunque no tenga nada que ver con el color real que perciben nuestros ojos. Los quarks que forman protones, neutrones u otras partículas compuestas tienen cada uno un color, combinados siempre de forma que la suma de el color “blanco”. En el caso de los bariones, que contienen tres quarks, cada quark tendrá uno de los tres valores posibles para el color: rojo, verde o azul. En el caso de los mesones, compuestos de un quark y un antiquark (del mismo o diferente tipo), tendrán un color de entre los tres posibles y el correspondiente anticolor. La interacción entre cargas de color la transmiten los gluones, unas partículas sin masa, sin carga eléctrica, pero con carga de color.

Sin embargo todo lo que acabamos de explicar corresponde a los efectos directos de esta interacción fuerte, a la que podríamos llamar la interacción “fundamental”. Pero esta interacción también tiene un efecto residual. Si no fuera así, la interacción fuerte no podría actuar entre partículas compuestas, porque éstas siempre son neutras en cuanto a carga de color se refiere. El núcleo atómico de cualquier átomo grande, como el hierro, está compuesto por multitud de protones y neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, pero los protones tienen carga eléctrica positiva. Dado que las cargas iguales se repelen, los protones dentro del núcleo atómico deberían repelerse intensamente, por la pequeñísima distancia que los separa. Y lo hacen, se repelen, pero hay una fuerza todavía mayor que se sobrepone a esa repulsión. La interacción fuerte. La parte residual de esta interacción concretamente. En este caso, esta interacción deja de estar mediada por gluones y esta mediada por otro tipo de bosón: los mesones.

Como ya hemos comentado, los mesones son partículas compuestas por un quark y un antiquark. Esto hace que tengan un espín con valor entero (0, 1, 2, …) y que por tanto sean bosones. Esto a su vez es lo que les permite funcionar como partícula mediadora de una interacción. En definitiva, el núcleo atómico estará repleto de mesones de todo tipo, que aparecerán en forma de partículas virtuales encargadas de transmitir la interacción fuerte entre los protones y neutrones que componen dicho núcleo. Dado que los piones son el tipo de mesón más ligero que existe, aparecerán con muchísima más probabilidad. Este intercambio de piones en el interior del núcleo atómico fue predicho por Hideki Yukawa en 1935, doce años antes de que se descubriera la partícula que lo protagonizaba. Él predijo las propiedades de dicha partícula en función de la intensidad y el alcance que tenía esta fuerza residual como para ser capaz de mantener a los núcleos atómicos unidos. Cuando calculó la masa que deberían tener estas partículas aún por descubrir no consiguió acertar, pero se acercó lo suficiente. Por sus predicciones teóricas, que acabaron demostrándose experimentalmente, recibió el Nobel de Física de 1949.

Referencias:

Zyla, P. A.; et al. (Particle Data Group) (2020). “Review of Particle Physics”. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2020 (8): 083C01. doi:10.1093/ptep/ptaa104
Griffiths, David J. (2008). Introduction to Elementary Particles (Second, Revised ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2
Halzen, Francis; Martin, Alan (1984). Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 9780471887416.

Fuente: muyinteresante.com