Otras carreras La fuerza fuerte

[Pola]

Buenos días.

He estado leyendo sobre la fuerza fuerte y tengo algunas dudas.

1. Los quarks del mismo tipo se repelen y los de distinto tipo se atraen. La duda que tengo aquí es si aunque tengan un color diferente se cumple esta regla. Quiero decir que un quark up por ejemplo, puede ser (tener carga de color) rojo, verde o azul. ¿Un quark up verde se repele con un quark up rojo?
2. Un protón está formado por 2 quarks up (de distinto color) y 1 down. Están unidos por la fuerza fuerte. Supongo que eso quiere decir que intercambian gluones entre sí y que ése intercambio se produce constantemente. Entonces, ¿cada vez que se intercambia 1 gluón entre los 2 quark Up cambian de color? Es decir ¿están cambiando continuamente de Up rojo a Up azul? ¿Se sabe con qué frecuencia se produce ése intercambio?
3. Creo que los propios gluones también tienen carga de color. ¿les sucedería entonces lo mismo que a los quarks? ¿Cambian de color en cada intercambio?
4. La duda expuesta en 3 me surge también con los piones. Son los encargados de mantener unidos a los protones. En el intercambio de piones entre protones y neutrones, el protón pasa a ser un neutrón y el neutrón un protón.

Aquí tengo un verdadero lío. Primero, si un protón pasa a ser un neutrón, parece que así se elimina el efecto repulsivo. Pero si el neutrón pasa a ser un protón, vuelve a aparecer la repulsión, ¿no?

Segundo. Creí que quien hacía ésas cosas (transformar los protones en neutrones) eran los bosones W más y W menos bajo la acción gravitatoria extrema en las estrellas. Parece que también lo hacen los piones constantemente en condiciones normales, ¿es así o no? ¿Tiene el pión (que es una partícula mediadora de la fuerza fuerte) el mismo efecto que la fuerza débil?¿Cual es la diferencia entre la interacción de pión y la de los bosones W? No lo entiendo.

¿Los protones y neutrones también están intercambiando constantemente su naturaleza pasando en cada intercambio de ser protón a ser neutrón y viceversa?¿Se conoce también la frecuencia de ésta interacción?

Gracias

[Alriga]

Hola Pola, permíteme que te de un cariñoso y amistoso tirón de orejas: un veterano como tú con más de 400 mensajes en el foro debería ya intuir que una consulta larga, espesa, confusa y multitema como esta, tiene prácticamente todos los boletos para que no la conteste nadie.

Ya que responder bien a todo lo que preguntas equivale a copiar al menos 30 ó 40 páginas de un libro de divulgación sobre el tema, y es poco razonable esperar que alguien haga eso.

A lo único que yo me atrevo es a aconsejarte un buen libro sobre partículas y sus interacciones, busca en Google “La Materia Prima Michel Crozon Gedisa Editorial” Es un libro que compré en 1988, pero es el mejor que tengo de Física de partículas a nivel divulgación. Está descatalogado, pero es fácil comprarlo de 2ª mano por menos de 20€, (o tal vez lo encuentres en la Biblioteca de tu ciudad)

Algo más moderno, también tengo y puedo aconsejarte Partículas elementales: En busca de las estructuras más pequeñas del universo (Gerard't Hooft), pero creo que a ti, (como me sucedió a mi) te aprovechará más el primero que es más progresivo y ameno.

Es de esperar que con la lectura de estos textos (o similares) se aclaren lo suficiente tus ideas sobre la fuerza fuerte para poder preguntar entonces por dudas claras y concretas, que posiblemente los físicos del foro sabrán responderte con longitud de texto razonable.

Saludos.

[Pola]

Buenas tardes Alriga. He encontrado el libro de Michael Crozon en Amazon. Ya preguntaré....

Un saludo

[Julián]

[qoute]Un protón está formado por 2 quarks up (de distinto color) y 1 down. Están unidos por la fuerza fuerte. Supongo que eso quiere decir que intercambian gluones entre sí y que ése intercambio se produce constantemente. Entonces, ¿cada vez que se intercambia 1 gluón entre los 2 quark Up cambian de color? Es decir ¿están cambiando continuamente de Up rojo a Up azul? ¿Se sabe con qué frecuencia se produce ése intercambio?[/quote]

La interacción fuerte es mediada por partículas virtuales en hadrones. Eso implica que los quarks perturban el campo de color o campo gluónico y este interacciona con los quarks y el propio campo, es decir, no es que salen gluones de quarks y estos llegan a otros quarks intercambiando color, momento y energía sino que el campo se perturba ante la presencia de estos (y del propio campo gluónico) de todas las posibles maneras, cada "manera" tiene un amplitud o probabilidad.

[Pola]

Buenas tardes.

Gracias por la respuesta Alriga. Tomo nota de todo: tirones de oreja y recomendaciones de lectura. Trataré de ser concreto en las preguntas a partir de ahora.

El libro de Gerard´t Hooft ya lo tengo. Lo he leído un par de veces y pienso leerlo alguna que otra vez más. Es muy bueno.

Me apunto el otro, que no conocía.

Gracias por la respuesta Julián. Me aclara sobre cómo se producen las interacciones.

En otro momento volveré a preguntar sobre las dudas que más me intrigan de forma más comedida.

Un saludo

[carroza]

Buenos días.

He estado leyendo sobre la fuerza fuerte y tengo algunas dudas.

1. Los quarks del mismo tipo se repelen y los de distinto tipo se atraen. La duda que tengo aquí es si aunque tengan un color diferente se cumple esta regla. Quiero decir que un quark up por ejemplo, puede ser (tener carga de color) rojo, verde o azul. ¿Un quark up verde se repele con un quark up rojo?

Hola. Voy a responder al item 1 de la lista de Pola:

No es cierto que los quarks del mismo "tipo" se repelan y los de tipo distinto se atraen. Lo que cuenta no es el "tipo", sino el color. En general, es cierto que los quarks de distinto color se repelen, pero no es cierto que los quarks de distinto color se atraigan.

La imagen es que los quarks que están en combinaciones simétricas de color se repelen, mientras que los quarks en combinaciones antisimétrcias de color se atraen.
Por ejemplo, imaginemos que tenemos un quark (1) verde, y un quark (2) rojo. Esto, en mecánica cuántica, lo definimos como un estado $| r v \rangle$. También podríamos hablar de un quark (1) rojo y un quark (2) verde. Este sistema viene descrito por el estado $| v r \rangle$.
Si nos preguntamos si los quarks (1) y (2), en el estado $| r v \rangle$ se repelen o se atraen, no tenemos una respuesta definida. Sin embargo los quarks en el estado $|S \rangle = {1 \over \sqrt{2}} ( | r v \rangle + | v r \rangle )$ se repelen, mientras que los quarks en el estado $|A \rangle = {1 \over \sqrt{2}} ( | r v \rangle - | v r \rangle )$ se atraen.

Un saludo

[Pola]

Hombre! Pues muchas gracias Carroza.

...aunque ahora es cuando ya me he perdido del todo. ¿La expresión en lenguaje llano de lo que dice ésa fórmula es tu frase: " los quarks que están en combinaciones simétricas de color se repelen, mientras que los quarks en combinaciones antisimétrcias de color se atraen" ?

Si es así, ¿qué significa "combinación simétrica" y qué significa "combinación antisimétrica"? Lo único que veo diferente entre el estado S y el A es el signo...

Un saludo

[carroza]

Bueno, Pola, vayamos a la base.

En lenguaje coloquial, una cosa es "simétrica" cuando no cambia frente a una transformación. Por ejemplo, una cara normal, frente a una reflexión izquierda-derecha. En el lenguaje fisico-matemático, una expresión es simétrica cuando no cambia frente a una transformación determinada. En nuestro caso, el estado $|S\rangle$, que se convierte en $|S\rangle$, cuando cambiamos el color r por v y viceversa.

En lenguaje coloquial, una cosa es "asimetrica", o "no simétrica" cuando cambia frente a una transformación. Por ejemplo, una cara de un tuerto, ya que frente a una reflexión el parche pasa del ojo derecho al izquierdo, y la cara cambia. En el lenguaje fisico matemático, la expresión $|rv \rangle$ cambia frente al cambio de r por v y viceversa, y se convierte en algo distinto, $|vr \rangle$.

Una cosa "antisimétrica" es algo muy especial del lenguaje fisico-matemático, y no hay muchos ejemplos coloquiales. Es tal que, frente a una transformación, se convierte en la expresión inicial, pero cambiada de signo. Este es el caso del estado $|A\rangle$, que se convierte en $(-1)|A\rangle$,cuando cambiamos r por v y viceversa.

Espero que recuerdes esto en la próxima discusión en la que aparezcan fermiones y bosones.

Un saludo

[Pola]

Gracias Carroza. Queda claro.

Antisimétrica es como en álgebra matricial, ¿no?

Ya me has dejado intrigado. ¿Qué tiene ésto que ver con los bosones y los fermiones?

Un saludo

[carroza]

Ya me has dejado intrigado. ¿Qué tiene ésto que ver con los bosones y los fermiones?

Un saludo

Eso ya te queda para tarea de casa.

saludos

[Pola]

Pues he estado brujuleando por internet y he descubierto algunas cosas que no sabía.

La primera es que, según se dice en Wikipedia: “ En la descripción de la mecánica cuántica no relativista las funciones de onda de los fermione son antisimétricas”. Lo cual deja inmediatamente abierta la duda de qué sucede en mecánica cuántica relativista.

También que “La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas”.

Yo sabía que dependía de si su espin era entero serían bosones y si era semientero ( ½, 2/3) serían fermiones, pero de lo anterior no tenía ni idea.

Tampoco tenía ni idea de que, según se dice, en realidad una cosa es consecuencia de la otra (que sea simétrica o antisimétrica depende que tenga o no espín entero).

Tampoco sabía que las partículas podían comportarse como fermiones o como bosones y que eso depende de si el número de elementos que la componen es par o impar (“Las partículas compuestas por otras partículas, como los protones, los neutrones o los núcleos atómicos, pueden ser bosones o fermiones dependiendo de su espín total. De ahí que muchos núcleos sean, de hecho, bosones. Basta que el número de fermiones que componga esa partícula sea par para que el sistema compuesto sea un bosón”.

Todo esto es la mar de curioso. Gracias por la sugerencia, Carroza. Ya puestos...¿podrías explicar qué sucede en mecánica cuántica relativista?

[sater]

Pues he estado brujuleando por internet y he descubierto algunas cosas que no sabía.

La primera es que, según se dice en Wikipedia: “ En la descripción de la mecánica cuántica no relativista las funciones de onda de los fermione son antisimétricas”. Lo cual deja inmediatamente abierta la duda de qué sucede en mecánica cuántica relativista.

A espera de que Carroza se extienda más que yo, la diferencia entre la mecánica cuántica no relativista y la relativista es que la primera no puede explicar el espín, por lo que lo "incorpora a mano" y la segunda (más en concreto la teoría cuántica de campos) lo "trae de serie".

[COLOR=black]

Yo sabía que dependía de si su espin era entero serían bosones y si era semientero ( ½, 2/3) serían fermiones, pero de lo anterior no tenía ni idea.

Aquí un apunte: semientero significa la mitad de un entero, no su tercera parte. Luego 2/3 no sería un espín permitido para un fermión.

[COLOR=black]

Tampoco sabía que las partículas podían comportarse como fermiones o como bosones y que eso depende de si el número de elementos que la componen es par o impar (“Las partículas compuestas por otras partículas, como los protones, los neutrones o los núcleos atómicos, pueden ser bosones o fermiones dependiendo de su espín total. De ahí que muchos núcleos sean, de hecho, bosones. Basta que el número de fermiones que componga esa partícula sea par para que el sistema compuesto sea un bosón”.

Respecto a esto último, un dato curioso (copio y pego de esta entrada):

[Cuando aun no se conocía la existencia de los neutrones y se pensaba que los átomos estaban hechos de protones y electrones...]

Pero dado que los átomos son neutros, no podemos explicar que el Helio tenga cuatro veces mas masa que el hidrógeno si solo tiene dos electrones y por tanto dos protones. Y si tuviera cuatro protones, el átomo no sería eléctricamente neutro. Esto llevó a Rutherford a postular la existencia de partículas sin carga, desconocidas por aquel momento, que darían cuenta de este exceso de masa, a la par que ayudarían a apantallar la repulsión coulombiana entre protones. Partículas que recibirían finalmente el nombre de neutrones, por ser neutras, y fueron descubiertas por Chadwick (quien había sido discípulo de Rutherford) en 1932.

Chadwick no especuló acerca del papel que el neutrón jugaría en la composición nuclear. Eso lo hizo Werner Heisenberg, ya famoso por el desarrollo de la mecánica matricial. En aquella época se creía que los neutrones eran un sistema protón-electrón ligado, y Heisenberg supuso que el núcleo se mantenía unido por el continuo intercambio entre protones y neutrones del electrón interno de los neutrones, convirtiéndose continuamente los protones en neutrones y viceversa. Pero estudios espectroscópicos demostraron que esta imagen era falsa.

La razón es que el espectro depende fuertemente del número de partículas en el núcleo, pues si es par se comportará como un bosón -espín entero- y si es impar como un fermión- espín semientero-. Para la molécula dinitrógeno se tenía un espectro de bosón, pero si su peso atómico era 14 y su número atómico 7, en el núcleo debían haber 14 protones de los cuales 7 tendrían electrones dentro, con lo que el núcleo constaría de 21 partículas haciendo que debiera comportarse como un fermión, cosa que no sucedía. Con la introducción del neutrón como partícula independiente, el núcleo constaba así de 14 entidades. Para más inri, el propio Chadwick midió la masa del neutrón siendo esta ligeramente mayor a la suma protón más electrón, pero como vimos en la entrada sobre masa en relatividad la masa de un sistema ligado debe ser menor que la suma de las masas de sus constituyentes. Estas y otras consideraciones hicieron a Heisenberg introducir un nuevo número cuántico (isoespín) y una nueva simetría de la naturaleza (no exacta).

[Pola]

Gracias, Sater. A veces parece que se me olvida hasta sumar. Me pierdo en los razonamientos de la última entrada que mencionas, pero sí me ha aclarado algo obvio: si la suma de los componentes de un átomo es impar, al final su spin total será semientero (fermión). Y si es par, pues entero y un bosón.

Un saludo...y a ver si se anima Carroza.