Elkarrekintza nuklear bortitz

1970eko hamarkada baino lehen, protoia eta neutroia oinarrizko partikulak zirela uste zen. Orduan, indar indartsu edo indar nuklear indartsu esamoldea gaur egun indar nuklear edo hondar-indar indartsu deritzonari dagokio. Hondar-indar indartsu hori nukleoaren kohesioaren arduraduna da, eta, gaur egun, protoiek, neutroiek eta gainerako hadroiek (barioiak edo mesoiak) igorritako pioiei lotutako indar-eremu gisa interpretatzen da. Izan ere, quarken arteko indarrak gluoiek eragindakoak dira, eta, hain dira indartsuak, non kolorearen konfinamendua deiturikoa eragiten duten eta ezinezkoa den quark biluziak tenperatura arruntetan ikustea; nukleo astunetan, ordea, posible da protoi edo neutroi batzuk bereiztea fisio nuklearraren bidez edo partikula azkarrekin nukleo atomikotik bonbardatuta.

Historikoki, nukleoa karga elektriko positiboko protoiek eta karga elektriko nuluko neutroiek osatzen zutela ohartzean, indar nuklear indartsua teorikoki aurkeztu zen nukleoaren barnean zeuden indar elektromagnetiko higuingarriak konpentsatzeko. Era berean, bere irismena nukleoaren erradioa bera baino handiagoa ezin zela izan proposatu zen gertuko beste nukleo batzuek senti ez zezaten; izan ere, irismen handiagoa izango balu, unibertsoko nukleo guztiak kolapsatu egingo ziren masa nuklearreko konglomeratu handi bat sortzeko. Horregatik, orduan, indar indartsu deitu zioten. Yukawaren ereduak (1935) indar nuklear indartsuaren edo hondar-indar indartsuaren alderdi asko behar bezala azaltzen zituen.

Hideki Yukawa (1907-1981)

Nukleoaren barruan zeuden indar elektromagnetiko aldaratzaileak konpentsatzeko, 1935ean Yukawa-k eredu teoriko bat postulatu zuen nukleoaren barnean indar oso bortitz batek eragin behar zuela proposatuz, esanez ezen indar horren irismena ezin zela izan nukleoaren erradioa bera baino handiagoa, inguruko nukleoek jasan ez zezaten, zeren bestela, unibertsoko nukleo guztiak kolapsatu egingo ziratekeen, masa nuklearreko konglomeratu handi bat eratzeko.

Yukawa espezializaturik zegoen fisika atomikoan eta ohituta zegoen tresna kuantikoekin. Bere ereduan, teoria original bat proposatu zuen indar nuklear bortitzaren izaera azaltzeko, horretarako garai hartan ezagutzen ez zen partikula bitartekari bat erabiliz, mesoi izenekoa, zeinaren masa protoiaren eta elektroiaren masen balioen tartekoa baitzen. Horretan, elektrodinamika kuantikoan garai hartan karga elektrikoen arteko elkarrekintza azaltzeko erabiltzen zen fotoi-trukearen ideiaz baliatu zen.

Hasieran, soilik proposamen teorikotzat hartu zen ideia, baina 1937an izpi kosmikoetan berak aipatutakoaren antzeko partikula bat aurkitu ondoren —pioi izenekoa—, zientzialariek oso kontuan hartu zuten beraren hipotesia. Dena den, gerora bestelako mesoiak aurkitzean, haren eredua desegokia zela ikusi zen; halere, mesoien bidezko teoria hark bultzada handia eman zion partikula azpiatomikoen arloko ikerketari. Nolanahi ere, 1947an pi mesoiaren aurkikuntza egin ondoren, Fisikako Nobel saria eman zioten 1949an Yukawari.

Protoi baten cuark egitura.

Ikerketan aurreratu ahala, fisikariak ohartu ziren protoiak eta neutroiak ez zirela funtsezko partikulak, quark izeneko partikula txikiagoez osatutako partikulak baizik. Izatez, nukleoien arteko erakarpen handia quarken arteko indar oinarrizkoago baten bigarren mailako ondorioa zen, quarkak protoien eta neutroien barruan elkartuta mantentzen zituen indarrarena. Hain zuzen ere, 1963an quarkak aurkitu ondoren, zientzialariek egokitu egin zuten teoria, quarken arteko indar hori gluoi izeneko bosoien bitartez gauzatzen zela azalduz.

Gaur egun kromodinamika kuantikoa (quantum chromodynamics, QCD) izeneko teoriak azaltzen du quarkek kolore-karga daramatela —izena gorabehera, “kolore” izen horrek ez du "ikusi" ohi ditugun koloreen esanahi bera—. Kromodinamika kuantikoaren arabera, nukleo atomikoa elkartuta mantentzen duen pioi-eremu batek hadroien barne-osagaietan —quarketan— eragiten duen benetako indar nuklear bortitzaren hondar-efektu bat baino ez da. Izan ere, quarken arteko indarrak gluoien eraginez sortzen dira, eta indar horiek hain dira intentsuak, ezen "kolorearen konfinamendua" eragiten baitute. Zehazki, kolore-karga desberdina duten quarkek elkarrekintza bortitzaren ondorioz erakartzen dute elkar. Elkarrekintza hori gluoi izeneko bosoi batzuen bidez transmititzen da. Horrela quarkak elkarri lotuta mantentzen dituzten indarrak dira benetan neutroiak eta protoiak osatzen dituztenak eta nukleoan elkartuta mantentzen dituztenak. Ordutik aurrera, protoiak eta neutroiak ez ziren oinarrizko partikulatzat hartuak izan, quarkez osatuak baizik. Kromodinamika kuantikoaren arabera, nukleo atomikoa lotuta mantentzen duen pioi-eremu horren existentzia hadroien (quarkak) barne-osagaietan eragiten duen benetako indar indartsuaren hondar-efektu bat baino ez da. Quarkek batuta mantentzen dituzten indarrak neutroiei eta protoiei lotuta mantentzen dituztenak baino askoz indartsuagoak dira.

Hogeigarren mendearen bigarren erdialdean egindako hainbat lan teoriko eta esperimentalen ondorioz, hasierako hiru partikula azpiatomikoen oinarrian beste hainbat partikula eta elkarrekintza agertu ziren. Poliki-poliki eredu estandarreko oinarrizko partikulak aurkitu eta haien ezaugarriak zehaztu ziren.[5] Horiek guztiak eskematikoki adierazita daude alboko taulan. Bertan partikula bakoitzari dagokion masa (${\displaystyle {\text{eV/c}}^{2}}$ unitatetan), karga (elektroiaren karga unitatetzat hartuta), spina eta izena adierazita, eta mota bakoitzekoak kolorez bereizita.

Eredu estandarrean bi motatako oinarrizko partikulak daude: fermioiak (quarkak eta leptoiak) eta bosoiak (elkarrekintzaren indar-bitartekariak).

Fermioiek spin ez-osoa dute, eta Pauliren esklusio-printzipioa betetzen dute. Hamabi fermioi daude, eta bakoitzak bere antipartikula du. Fermioietan, leptoiak eta quarkak bereizten dira.

Leptoiei ez die elkarrekintza bortitzak eragiten, baina bai interakzio ahulak. Leptoi batzuek karga elektrikoa dute, baina beste batzuek ez.

• Karga elektrikoa duten leptoiei elkarrekintza elektromagnetikoak ere eragiten die. Hiru leptoi kargadun daude: elektroia, muoia eta tau partikula.
• Gainerakoak —hiru neutrinoak, elektroi-neutrinoa, muoi-neutrinoa eta tau-neutrinoa)— kargarik gabeak dira, eta elkarrekintza ahulak soilik eragiten die. Neutrinoak oso zailak dira detektatzen, eta masarik izatekotan, oso txikia delako ustea da nagusi.

Quarkak leptoiak baino astunagoak dira, eta karga elektriko frakzionarioa dute, ${\displaystyle 2/3}$ edo ${\displaystyle -1/3}$ aldiz elektroiarena. Quarkek ${\displaystyle 1/2}$ balioko spina duten partikulak dira, eta, ondorioz, fermioiak. Masari eta tamainari dagokionez, quarkak gluoien antzeko partikulak dira.

Quarkak dira lau oinarrizko elkarrekintzak jasaten dituzten oinarrizko partikula bakarrak. Leptoiekin batera, materia guztia osatzen dute. Sei motatako quarkak daude (${\displaystyle d}$, ${\displaystyle u}$, ${\displaystyle s}$, ${\displaystyle c}$, ${\displaystyle b}$ eta ${\displaystyle t}$ sinboloez adierazten direnak) eta bakoitza bere antipartikula du (${\displaystyle {\bar {d}}}$, ${\displaystyle {\bar {u}}}$, ${\displaystyle {\bar {s}}}$, ${\displaystyle {\bar {c}}}$, ${\displaystyle {\bar {b}}}$ eta ${\displaystyle {\bar {t}}}$ sinboloak, hurrenez hurren) antiquarka deritzona, eta ondoko taulan aderi diren izen eta ezaugarriak dituztenak.[6]

Quark eta antiquarken ezaugarriak

Quark-mota (izena)	Barioi- zenbakia	Karga (e)	Spina (h)	Masa (MeV)
${\displaystyle d}$ (down, "beherantz")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle -(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{5-15}}}$
${\displaystyle u}$ (up, "gorantz")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle +(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{2-8}}}$
${\displaystyle s}$ (strange, ("arraroa")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle -(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{100-300}}}$
${\displaystyle c}$ (charm, "xarma")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle +(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{1.000-1.600}}}$
${\displaystyle b}$ (bottom, "behea")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle +(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{4.100-4.500}}}$
${\displaystyle t}$ (top, "gaina")	${\displaystyle +1/3}$	${\displaystyle +(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{180.000}}}$
${\displaystyle {\bar {d}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle +(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{5-15}}}$
${\displaystyle {\bar {u}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle -(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{2-8}}}$
${\displaystyle {\bar {s}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle +(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{100-300}}}$
${\displaystyle {\bar {c}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle -(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{1.000-1.600}}}$
${\displaystyle {\bar {b}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle -(1/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{4.100-4.500}}}$
${\displaystyle {\bar {t}}}$	${\displaystyle -1/3}$	${\displaystyle -(2/3)}$	${\displaystyle 1/2}$	${\displaystyle {\text{180.000}}}$

Mekanika kuantikoan, bosoiak dira Bose–Einsteinen estatistikei jarraitzen dieten partikulak. Bosoiak oinarrizkoak izan daitezke —hala nola fotoiak— edo konposatuak —mesoiak—. Bosoi gehienak partikula konposatuak dira, baina Eredu Estandarrean bost motatako oinarrizko bosoiak daude:

• lau bosoi bektorial (${\displaystyle 1}$ balioko spina dute): fotoiak (${\displaystyle \gamma }$), gluoiak (${\displaystyle g}$, zortzi motatakoak), ${\displaystyle Z^{0}}$ bosoia (karga elektrikorik gabea) eta ${\displaystyle W^{+}}$ eta ${\displaystyle W^{-}}$ bosoiak (kargadunak)
• bosoi eskalar bat, berriki detektaturiko Higgs-en bosoia.

Teoriaren arabera, horiez gain seigarren bosoi tentsorial batek (${\displaystyle 2}$ balioko spina lukeena) egon behar luke, elkarrekintza grabitatorioaren indar-bitartekaria litzatekeena eta, horregatik, grabitoia deritzona. Oinarrizko partikula hipotetiko bat izaten jarraitzen du, eredu estandarrean grabitazioa txertatzeko orain arteko saiakera guztiek porrot egin baitute.

Gluoiak dira elkarrekintza nuklear bortitzari dagozkion indar-bitartekariak —alegia, elkarrekintza bortitzari dagozkion truke-partikulak—, bereziki quarketan eragiten dutenak. Masa eta karga elektriko nulua dute, eta ${\displaystyle 1}$ balioko spina.

Eskema honetan erakusten da nola sailkatzen diren hadroiak beste bi partikula azpiatomikoekin batera, alegia, bosoi eta fermioien artean.

Partikula azpiatomikoak dira, elkarrekintza bortitzak nukleoan mantentzen dituenak. Bi motatako hadroiak daude (kasu "exotikoak" kontuan hartu gabe):

Barioiak kolore-kargak desberdineko hiru quarkez osatuta daude. Guztira, kolore-karga "neutroa" edo "zuria" dutela esaten da, hiru kolore-kargak konpentsatuta baitauzkate. Protoiak et neutroiak barioak dira, eta nukleoi izena ere ematen zaie. Barioi isolatuek fermioien gisako portaera dute.

Mesoiak quark batek eta antiquark batek osatutako partikulak dira. Mesoiek bosoien gisako portaera dute. Mesoien artean pioiak eta kaoiak daude, besteak beste. Mesoi guztiak ezegonkorrak dira, eta mikrosegundo-ehunenetako baino erdibizitza dute, gehienez.

Partikulen fisikan, mesoiek bosoien gisako portaera dute eta elkarrekintza bortitzaren indar-bitartekariak dira.

Quarken arteko ezaugarri bereizgarria elkarrekintza bortitza da, nahiz eta elkarrekintza elektromagnetikoan eta ahulean ere parte hartzen duten.[6] Ez dira bakarka ageri, beste partikula batzuetan "konfinaturik" baizik. Badira hiru quarkez osatutakoak (hadroi deritze), hala nola protoiak edo neutroiak. bestalde, quark eta antiquark bat elkartzen direnean, mesoiak sortzen dira. Bi mota horiek ezin dira gaur egun oinarrizko partikulatzat hartu, partikula konposatutzat baizik.

• 
  Protoia bi gorantz-quarkez (up, u) eta beherantz-quark (down, d) batez dago osaturik.
• 
  Neutroia bi beherantz-quarkez eta gorantz-quark batez dago osatuta.
• 
  Neutroi baten barne-egitura, quarken elkarketako indar nuklear bortitza gluoien truke gisa adieraziz.

Quarkak, antiquarkak eta gluoiak dira kolore-karga ez-nulua duten oinarrizko partikula bakarrak, eta horregatik horietxek dira elkarrekintza bortitzean parte hartzen dutenak. Gluoiak indar bortitzaren eramaileak edo indar-bitartekariak dira, eta eurak dira quarkak elkarri lotuta mantentzen dituztenek, horrela bestelako partikula batzuk osatzeko.

Quarkek sei motatako kolore-karga izan dezakete: gorria, urdina, berdea, antigorria, antiurdina eta antiberdea. Kolore-karga antigorria, antiurdina eta antiberdea erlazionaturik daude, hurrenez hurren, karga gorriarekin, urdinarekin eta berdearekin, hain zuzen ere, karga elektriko negatiboak eta positiboak elkarrekin erlazionaturik dauden antzera. Hadroiek, bestalde, kolore-karga konplexuagoa dute: euren kolore-karga beti da kolore baten eta mota desberdinetako antikolore baten konbinazioa; adibidez, gluoi gorri-antiurdina edo gluoi berde-antigorria izan daiteke). Nolanahi ere, guztira, hadroiek kolore-karga nulua dute.

Hondar-indar bortitzaren animazioa: protoi baten eta neutroi baten arteko elkarrekintzan. Zirkulu bikoitz txikiak gluoiak dira. Quarks-antiquarken konbinazio horiek pioiak dira, indar bortitza transmititzen laguntzen dutenak.

Atomo-nukleoaren osagaiak elkartuta mantentzen dituen indarra elkarrekintza nuklear bortitzari lotuta dago, gaur egun badakigu protoiak eta neutroiak quarken eta gluoien arteko elkarrekintzaren hondar-indarra dela. Molekulak eratzeko atomoen artean agertzen diren lotura-indarren efektuaren antzekoa izango litzateke elkarketa hori, nolabait esateko molekuletako lotura-indar horiek karga elektrikoen indar elektromagnetikoari aurre egiten dieten antzera. Dena den, quarken arteko hondar-indarra oso izaera desberdinekoa da. Kromodinamika kuantikoaren aurretik, uste zen nukleoko protoiak elkartuta zituen hondar-indar hori elkarrekintza nuklear bortitzaren funtsa zela. Ordea, gaur egun onartzen da protoiak lotzen dituen indarra quarken arteko kolore-indarraren bigarren mailako efektu bat dela,; beraz, quarken arteko elkarrekintzak indar bortitzaren funtsezko islatzat hartzen dira.

Nukleoien arteko indar nuklearra pioien bidez egiten da —masa-bosoiak dira—, eta horrexegatik du indar horrek hain irismen laburra. Neutroi edo protoi bakoitzak pioi kargatuak edo neutroak igorri eta xurgatu egin ditzake; pioi kargatuak igorriz gero, protoi bat neutroi bihurtzen da; edo, alderantziz Kargatutako pioien emisioa edo xurgapena bi elkarrekintza hauetako bati dagokio:

$${\displaystyle p^{+}+n^{0}\to (n^{0}+\pi ^{+})+n^{0}\to n^{0}+(\pi ^{+}+n^{0})\to n^{0}+p^{+},}$$

$${\displaystyle n^{0}+p^{+}\to (p^{+}+\pi ^{-})+p^{+}\to p^{+}+(\pi ^{-}+p^{+})\to p^{+}+n^{0}.}$$

Ikus daitekeenez, lehen erreakzio-prozesuaren hasieran, protoi batek pioi positibo bat igortzen du, horrela protoia neutroi bihurtuta, eta gero, pioi positibo hori xurgatuz, neutroia protoi bihurtzen da. Jarraian, bigarren prozesuan, lehenik, neutroiak pioi negatibo bat igortzen du, eta horrela protoi bihurtzen da; ondoren, beste protoiak pioi negatiboa xurgatzen duenean, neutroi bihurtzen du, eta hasierako egorara itzultzen da. Etengabeko truke horren hondar-efektu garbia da protoiaren eta neutroiaren arteko indar erakarle bortitza da.