Otras carreras La fuerza nuclear fuerte

[Pola]

Buenos días de nuevo.

Pues me animo a poner la duda con la que me he quedado.

Obtenido de wikipedia: "La fuerza nuclear fuerte entre nucleones se realiza mediante piones, que son bosones másicos, y por esa razón esta fuerza tiene tan corto alcance. Cada neutrón o protón puede "emitir" y "absorber" piones cargados o neutros, la emisión de piones cargados comporta la transmutación de un protón en neutrón o viceversa (de hecho en términos de quarks esta interacción se debe a la creación de un par quark-antiquark, el pión cargado no será más que un estado ligado de uno de los quarks originales y más un quark o antiquark de los que se acaban de crear)."

Yo creí que quien cambiaba un protón en neutrón era la fuerza debil mediante los bosones W que interactán con un protón, transforma uno de los quarks Up en un Down y se emite un electrón y un neutrino electrónico.

Las dos reacciones son correctas? ¿Cuál es la diferencia entre una y otra?

[sater]

Buenas. La fuerza débil puede transformar un quark down en up y así transmutar un neutrón en un protón. Es lo que se llama desintegración del neutrón.

Pero la estabilidad del núcleo se debe a la fuerza fuerte. Aquí tienes que diferenciar entre la fuerza fuerte que introdujo Yukawa y está mediada por piones y la fuerza fuerte del modelo estándar (cromodinámica cuántica), que es algo más fundamental y está mediada por gluones. Los protones y neutrones son sistemas de quarks ligados por gluones. Cuando los quarks intentan separarse, la intensidad de la interacción crece hasta el punto de que pueden crear un par de quark antiquark para evitar que ningún quark se quede solo. A estos pares los llamamos mesones. El caso es que los piones de Yukawa resultan ser mesones de este tipo, y la fuerza fuerta que Yukawa imaginó es un remanente de la interacción que median los gluones. Los protones y neutrones intercambian estos piones atrayéndose y sobreponiéndose a la repulsión electromagnética entre los protones.

Se suele trazar un paralelismo con la interacción de Van der Waals, que es un remanente de la interacción electromagnética.

[Pola]

Gracias por la explicación, Sater. En éste caso me estoy refiriendo a la fuerza fuerte de Yukawa mediada por piones. Según wikipedia, debido a ésa mediación, los protones pasan a ser neutrones (provocando un efecto similar al que provoca la fuerza débil) y viceversa.

No sabía que los piones provocaran ése efecto. Por un lado quería confirmarlo y por otro, saber en qué se diferencia la interacción provocada por el pión de la interacción provocada por el boson W. Porque las dos transforman al protón en un neutrón.

[sater]

Mira quizá este gif te aclara:

https://commons.wikimedia.org/wiki/F...im_smaller.gif

Aquí se ve como al "separarse" un quark, se crea un antiquark formándose un pión neutro. Su intercambio se corresponde con una fuerza residual de la fuerza fuerte propiamente dicha (cromodinámica). No tiene porqué convertir un protón en neutrón si el pión es neutro.

Por otro lado, en este enlace:

https://commons.wikimedia.org/wiki/F...tive_Decay.svg

puedes ver el diagrama de Feynman de un neutrón decayendo a un protón. En este caso la interacción no tiene nada de residual, el bosón portador es el de la fuerza débil, y no un bosón mediador "secundario" como el pión. Por otro lado, aquí no hay ningún "intercambio", simplemente es una desintegración.

pd: con bosón mediador "secundario", me refiero a que la interacción por medio de piones proviene de una simetría que no es exacta, mientras que por gluones y por W/Z la simetría es exacta.

[Pola]

Gracias de nuevo, Sater. Muy bueno el primer link.

Parece por lo que dices que se me había pasado por alto la palabra "cargado" que acompaña a "pión" en el párrafo que yo citaba de wikipedia. Es decir, un pión cargado transmuta un protón n un neutrón, pero uno neutro no.

Y pareceré un pesado, pero entonces la pregunta es: dejando aparte los propios mecanismos de cada reacción, que son distintos y fijándonos sólo en el final de cada historia (en términos de energía liberada): ¿en qué se diferencia la trasmutación de un proton en un neutrón por medio de un pión cargado de la transmutación de un protón en un neutrón por medio de un bosón W?
Se ve claramente que los medios son distintos, pero ¿y los finales? ¿En qué se diferencian?

[sater]

Piensa que en la desintegración mediada por fuerza débil, tienes un único hadrón (protón/neutrón, aunque sí está solo, sólo puede ser el neutrón) tanto al inicio como al final, mientras que en la interacción fuerte mediada por piones (que no gluones) tienes que tener dos hadrones que se "comunican" mediante piones.

[Pola]

Gracias Sater. Si ése proceso mediado por piones se produjera en las condiciones en que se produce el proceso mediado por la fuerza débil (es decir, en una estrella con presión y temperatura extremas), ¿se produciría también una fusión nuclear?

Perdona otra pregunta ¿por qué un protón no puede estar solo?

[Alriga]

... Perdona otra pregunta ¿por qué un protón no puede estar solo?

Naturalmente que un protón puede estar solo: todo el hidrógeno del universo tiene un núcleo formado por un solo protón. Lo que sater ha querido decirte es que si un hadrón-nucleón está solo y se desintegra mediante interacción débil, entonces es que era un neutrón, no un protón.

Ya que los protones "solos" son estables y no se desintegran ni mediante interacción débil ni mediante ninguna otra, (su período de desintegración se le supone infinito)

Por otro lado, los neutrones ubicados en el interior de núcleos estables no se desintegran, como sí les sucede cuando están libres.

Saludos.

[Pola]

Gracias Alriga.

Mi problema es que tengo en la cabeza el esquema de la fusión nuclear, que se produce después de que la la interacción débil transmute un protón del núcleo atómico del hidrógeno en un neutrón mediante la transformación de uno de sus quark up en un down, y permita que se fusionen formando helio y liberando una enorme cantidad de energía.

Ahora me encuentro con que éso mismo (me refiero a transformar un protón en un neutrón) pueden hacerlo los piones y me pregunto por qué en el procesos de fusión se sigue sólo un camino y no el otro.

Y si es porque en uno se libera más energía que en el otro, por qué razón seria así. Porque visto desde la ignorancia, una vez que el protón se transforma en neutrón, (aunque fuera por mediación de un pión) podría fusionarse con otro neutrón,formar también helio y librar la misma energía, ¿no?

[Alriga]

Pola , yo no soy experto en el tema, desde mis enormes limitaciones te explico lo que yo creo medio entender sobre esto: en la reacción que se da en el interior de los núcleos

$\mbox{p}^+ \ \rightleftarrows \ \mbox{n} + \pi^+$

que es representación de la fuerza fuerte de Yukawa, un protón se convierte en un neutrón emitiendo un pion virtual. El tiempo característico de esa reacción "fuerte" es del orden de ~$\boldsymbol{10^{-23}}$ segundos. Pero inmediatamente (en tan solo ~$10^{-23}$ segundos) el pion que en ese lapso temporal tan pequeño aún no ha tenido tiempo de escapar del núcleo, siente la interacción fuerte y se recombina con el mismo u otro neutrón del núcleo para formar de nuevo un protón y dejar el núcleo como antes. Por eso normalmente verás escrita esa reacción con doble flecha, pues cuando sucede de izquierda a derecha, rápidamente, antes que el pion tenga tiempo de salir del núcleo, vuelve a suceder de derecha a izquierda.

En cambio la interacción nuclear débil, que en determinadas circunstancias puede convertir un protón de un núcleo en un neutrón, tiene un tiempo característico al menos $\boldsymbol{10^{13}}$ veces más lento que la interacción fuerte. La reacción “débil” es:

$\mbox{p}^+\rightarrow \mbox{n}+\mbox{e}^++{\nu}_{\mbox{e}}$

Y a diferencia de la anterior, ahora el positrón y el neutrino (reales) escapan del núcleo, porque no “sienten” la interacción fuerte que es rápida, y la débil es demasiado lenta para tener tiempo de atraparlos en él antes de que salgan, lo que hace esta reacción “irreversible” para ese núcleo, que ha pasado a tener un protón menos y un neutrón más. Observa que en esta última reacción la flecha la suelen pintar solo hacia la derecha.

Espero que te sea útil, saludos.

[Pola]

Pues ahora lo entiendo finalmente. Gracias Alriga.