Mwingiliano madhubuti

Katika fizikia ya nyuklia na fizikia ya atomu, neno mwingiliano madhubuti ni mfumo unaowajibika kwa nguvu ya nyuklia, na ni mojawapo ya maingiliano manne ya msingi, mengine yakiwa ya sumakuumeme, mwingiliano dhaifu, na mvuto.

Katika anuwai ya m 10−15 (1 femtometer), nguvu kali ni takriban mara 137 na inakuwa na nguvu kama umeme, mara milioni huwa na nguvu kama mwingiliano dhaifu, na mara 1038 na nguvu kama mvuto . Nguvu kubwa ya nyuklia inashikilia jambo la kawaida kwa pamoja kwa sababu inajumuisha chembechembe za atomu kama protoni, elektroni na nyutroni. Kwa kuongezea, nguvu kali hufunga “protoni” na “nyutroni”  kuunda kiini cha atomi. Zaidi ya wingi wa protoni ya kawaida au nyutroni ni matokeo ya nguvu ya shamba nguvu; quark yote hutoa 1% pekee ya wingi wa protoni.

Mwingiliano madhubuti unaonekana katika safu mbili na upatanishwa na ubebaji wa nguvu mbili. Kwa kiwango kikubwa zaidi (karibu 1 hadi 3 fm), ni nguvu (iliyofanywa na mesoni) ambayo hufunga protoni na nyutroni (nyukleoni) pamoja kuunda kiini cha nyuklia. Kwa kiwango kidogo (chini ya karibu 0.8 fm, nusukipenyo ya neli), ni nguvu (iliyochukuliwa na gluoni) ambayo inashikilia quark kwa pamoja na kuunda protoni, nyutroni, na chembe nyingine za madini .

Katika muktadha wa kiini cha atomiki, nguvu hiyohiyo ya mwingiliano madhubuti (ambayo hufunga quarks ndani ya nenoni) pia hufunga protoni na neutroni pamoja kuunda kiini. Katika uwezo huu inaitwa nguvu ya nyuklia (au nguvu ya mabaki). Kwa hiyo mabaki kutoka mwingiliano madhubuti ndani ya protoni na nyutroni pia hufunga nukta pamoja. Kama hivyo, mwingiliano madhubuti wa mabaki hutii tabia inayotegemea umbali kati ya viini ambayo ni tofauti kabisa na ile ya wakati inapochukua hatua ya kufunga quark ndani ya viini. Kwa kuongezea, tofauti zipo katika nguvu za kisheria za nguvu ya nyuklia ya myeyungano wa kinyuklia dhidi ya ubunguaji wa kinyuklia. Akaunti ya myeyungano wa kinyuklia kwa uzalishaji zaidi wa nishati kwenye Jua na nyota nyingine. Ubunguaji wa kinyuklia unaruhusu kuoza kwa vitu vya mionzi na isotopu, ingawa mara nyingi huingiliwa na mwingiliano dhaifu. Kwa kweli, nishati inayohusishwa na nguvu ya nyuklia inatolewa kwa nguvu ya nyuklia na silaha za nyuklia, zote mbili katika silaha za umwagiliaji au umoja wa plutoni na katika silaha za myeyungano kama bomu la hidrojeni.

Mwingiliano madhubuti huingiliana na kubadilishana kwa chembe zisizo na uzito ambazo huitwa gluoni, hizi zinafanya kazi kati ya quarks, antiquark, na gluoni nyingine. Gluoni hufikiriwa kuingiliana na mto na gluoni nyingine kwa njia ya aina ya malipo inayoitwa malipo ya rangi. Malipo ya rangi ni ya kushangaza kwa malipo ya umeme, lakini huja katika aina tatu (± nyekundu, ± kijani, ± bluu) badala ya moja, ambayo husababisha aina tofauti ya nguvu, na sheria tofauti za tabia. Sheria hizo zinafafanuliwa kwa nadharia ya kiwango cha chromodynamics (QCD), ambayo ni nadharia ya mwingiliano wa quark-gluon.

Historia

Kabla ya miaka ya 1970, wataalamu wa fizikia hawakuwa na hakika juu ya jinsi kiini cha atomi kilivyofungwa pamoja. Ilijulikana kuwa kiini kiliundwa na protoni na nyutroni na kwamba protoni zlikuwa na maingizo mazuri ya umeme, wakati nyutroni hazikua upande wa umeme. Kwa uelewa wa fizikia wakati huo, mashtaka mazuri yangekuwa yakirudisha mwenzake na protini zilizoshtakiwa vizuri zinapaswa kusababisha kiini kutengana. Walakini, hii haikuwahi kuzingatiwa. Fizikia mpya ilihitajika kuelezea jambo hili.

Nguvu ya kuvutia zaidi iliwekwa ili kuelezea jinsi kiini cha atomi kilivyofungwa licha ya upotovu wa elektroni pande zote za elektroni. Nguvu hiyo iliaminika kuwa nguvu ya msingi ambayo ilichukua nguvu juu ya protoni na nyutroni ambazo huunda kiini.

Iligunduliwa baadaye kwamba protoni na nyutroni hazikuwa chembe za msingi, lakini zilitengenezwa na chembe za eneo zinazoitwa quark. Kuvutia sana kati ya neli ilikuwa athari ya nguvu ya msingi ambayo ilifunga foleni pamoja katika protoni na nyutroni. Nadharia ya chromodynamics ya quantum inaelezea kwamba quark hubeba kinachoitwa malipo ya rangi, ingawa haina uhusiano na rangi inayoonekana. Quark zilizo na malipo ya rangi tofauti huvutia kila moja kwa sababu ya mwingiliano mkubwa, na chembe iliyoingiliana hii iliitwa gluoni.

Tabia ya nguvu kali

Neno nguvu hutumika kwani mwingiliano hodari ndio "nguvu" ya nguvu nne za msingi. Katika umbali wa 1 femtometer (1 fm = 10−15 mita) au chini, nguvu yake ni karibu mara 137 ya ile ya nguvu ya umeme, mara 106 sawa na ile ya nguvu dhaifu, na kama mara 1038 ya mvuto.

Nguvu kali inaelezewa na chromodynamics ya quantum (QCD), sehemu ya mfano wa kiwango cha fizikia ya chembe. Kimsingi, QCD ni nadharia ya upimaji isiyo ya Abelian kulingana na kikundi cha ulinganishaji wa mitaa (chachi) kinachoitwa SU.

Chembe ya kubeba nguvu ya mwingiliano wenye nguvu ni gluon, kifua kisicho na uzito. Tofauti na Photon katika electromagnetism, ambayo haina upande wowote, gluon hubeba malipo ya rangi. Quark na gluons ndio chembe za msingi tu ambazo hubeba malipo ya rangi isiyoharibika, na kwa hivyo wanashiriki katika mwingiliano mkali na kila mmoja. Nguvu kali ni usemi wa mwingiliano wa gluon na chembe zingine za quark na gluon.

Nukuu na sukari yote kwenye QCD huingiliana na kila mmoja kupitia nguvu kali. Nguvu ya mwingiliano inaingiliana na coupling kali mara kwa mara. Nguvu hii imebadilishwa na malipo ya rangi ya chachi ya chembe, mali ya kikundi kinadharia.

Nguvu kali hufanya kazi kati ya quark. Tofauti na nguvu zingine zote (elektronignetic, dhaifu, na mvuto), nguvu kali haipungui kwa nguvu na umbali huongezeka kati ya jozi ya quark. Baada ya umbali wa kizuizi (kama saizi ya hadoni) imefikiwa, inabaki kwa nguvu ya vifungo vipya 10,000 (N), haijalishi ni umbali gani kati ya quark. Wakati mgawanyiko kati ya quark unakua, nishati inayoongezwa kwa jozi huunda jozi mpya za nambari za kulinganisha kati ya hizo mbili za asili; kwa hivyo haiwezekani kuunda quark tofauti. Maelezo ni kwamba kiasi cha kazi iliyofanywa dhidi ya nguvu ya vifungo 10,000 ni vya kutosha kuunda jozi za kuzuia chembe ndani ya umbali mfupi sana wa mwingiliano huo. Nguvu iliyoongezwa kwenye mfumo unaohitajika kuvuta mbali nukuu mbili ambazo zina uwezo wa kuunda jozi mpya za kuu ambazo zitaungana na zile za asili. Katika QCD, jambo hili linaitwa “kufungwa kwa rangi” kwa sababu za akiba pekee, na sio alama za mtu binafsi, zinaweza kuzingatiwa. Kushindikana kwa majaribio yote ambayo yalitafuta tetesi za bure huzingatiwa kuwa ushahidi wa jambo hili.

Quark ya msingi na chembe za gluon zinazohusika katika mgongano mkubwa wa nishati hazizingatiwi moja kwa moja. Mwingiliano huo hutoa jets mpya za toni zinazoweza kuonekana. Hizi  huundwa, kama dhihirisho la usawa wa nguvu-kubwa, wakati nishati ya kutosha imewekwa ndani ya kifungo cha quark-quark, kama wakati quark katika proton moja inapigwa na quark ya haraka sana ya proton nyingine inayoathiri wakati wa jaribio la kuongeza kasi ya chembe. Walakini, plasmas za quark-gluon zimezingatiwa.