Elkarrekintza nuklear bortitz

Indar nuklear sendo» orritik birbideratua)

Fisika nuklearrean eta partikulen fisikan, elkarrekintza nuklear bortitza da atomoaren barneko nukleoietan indar nuklear bortitza sortzen duen mekanismoa, eta ezagutzen diren lau oinarrizko elkarrekintzetako bat da, elektromagnetismoa, elkarrekintza ahula eta grabitazioarekin batera.

Oso irismen laburrekoa da ( inguru, hots, femtometro bat), baina elkarrekintza nuklear bortitzaren intentsitatea elkarrekintza elektromagnetikoarena baino aldiz handiagoa da, elkarrekintza ahularena baino aldiz handiagoa, eta grabitazioarena baino aldiz handiagoa.

Indar nuklear bortitzak hadroi, mesoi eta barioi guztietan eragiten du, alegia quarkek eta antiquarkek osatutako partikuletan. Indar horren interakzioa gluoi izeneko bosoiek eragiten dute, fotoiek indar elektromagnetikoan eragiten duten antzera. Indar horrek eragiten du quarkak elkartuta egotea, baita barioiak (protoiak edo neutroiak, esaterako) eta mesoiak (pioi edo kaoiak kasu) eratzea ere. Gainera, gai da protoiak eta neutroiak nukleo atomikoan mantentzeko, nahikoa intentsoa baita protoien arteko aldaratze-indarrari aurre egiteko; bi protoiren arteko indar nuklear bortitzari dagokion energia megaelektroi-volten () ordenakoa da.

Indar nuklear bortitzari ez dio eragiten partikulen karga elektrikoak: protoiek eta neutroiek berdin jasaten dute elkarrekintza bortitza. Indar nuklear bortitza azaltzen duen teoria kromodinamika kuantikoa da, Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler (1938) eta Murray Gell-Mann fisikariek 1973an proposatua.

HistoriaAldatu

Hogeigarren mendeko hirurogeita hamarreko hamarkada baino lehen, fisikariek ez zekiten egiazki zein mekanismok eusten zion nukleo atomikoaren batasunari. Bazekiten protoiek eta neutroiek osatzen zutela nukleoa, eta halaber zekiten ezen protoiek karga elektriko positiboa zutela eta neutroiak, berriz, elektrikoki neutroak zirela. Baina ezagutza hori kontraesanean zegoen une hartan onartutako fisikarekin, zeren protoien karga positiboaren kausaz, euren arteko aldaratze-indar izugarria agertu behar baitzen eta horrek nukleoaren apurketa eragingo baitzuen; baina hori ez zen gertatzen, nukleoak egonkorrak baitziren (nukleo erradioaktiboen kasuaren salbuespenarekin). Beraz, teoria fisiko berri bat behar zen fenomeno hori azaltzeko.

 
Hideki Yukawa (1907-1981)

Yukawa-ren ereduaAldatu

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.

Quarken aurkikuntzaAldatu

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.

Elkarrekintza nuklear bortitzaren oinarrizko printzipioakAldatu

 
Eredu estandarreko oinarrizko partikulak.

Elkarrekintza nuklear bortitzaren azalpena materiaren oinarrizko partikulak biltzen dituen eredu estandarraren barnean egiten da.

Eredu estandarreko oinarrizko partikulakAldatu

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.[1] Horiek guztiak eskematikoki adierazita daude alboko taulan. Bertan partikula bakoitzari dagokion masa (  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).

FermioiakAldatu

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.

LeptoiakAldatu

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.

QuarkakAldatu

Quarkak leptoiak baino astunagoak dira, eta karga elektriko frakzionarioa dute,   edo   aldiz elektroiarena. Quarkek   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 ( ,  ,  ,  ,   eta   sinboloez adierazten direnak) eta bakoitza bere antipartikula du ( ,  ,  ,  ,   eta   sinboloak, hurrenez hurren) antiquarka deritzona, eta ondoko taulan aderi diren izen eta ezaugarriak dituztenak.[2]

Quark eta antiquarken ezaugarriak
Quark-mota

(izena)

Barioi-

zenbakia

Karga

(e)

Spina

(h)

Masa

(MeV)

  (down, "beherantz")        
  (up, "gorantz")        
  (strange, ("arraroa")        
  (charm, "xarma")        
  (bottom, "behea")        
  (top, "gaina")        
         
         
         
         
         
         

BosoiakAldatu

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 (  balioko spina dute): fotoiak ( ), gluoiak ( , zortzi motatakoak),   bosoia (karga elektrikorik gabea) eta   eta   bosoiak (kargadunak)
  • bosoi eskalar bat, berriki detektaturiko Higgs-en bosoia.

Teoriaren arabera, horiez gain seigarren bosoi tentsorial batek (  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.

GluoiakAldatu

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   balioko spina.

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

HadroiakAldatu

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

BarioiakAldatu

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.

MesoiakAldatu

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.

Quarkak protoi eta neutroiaren osagaiakAldatu

Quarken arteko ezaugarri bereizgarria elkarrekintza bortitza da, nahiz eta elkarrekintza elektromagnetikoan eta ahulean ere parte hartzen duten.[2] 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.

Atomoen nukleoen barneko indarrakAldatu

 
Hadroiek beti dute kolore-karga nulua.

Hogeigarren mendeko hogeita hamarreko urteen aurretik uste zen, nukleoaren barneko partikula bakarrak protoia eta neutroia zirela, eta horiek oinarrizko partikulak zirela. Garai haietan, partikula horiek nukleoaren barnean batera egon ahal izateko, beren artean indar bortitz erakarle bat existitzen zela uste zen, gaur egun hondar-indar bortitza deritzona. Gure egunotako ereduaren arabera, nukleoaren kohesioa sorrarazten duena hondar-indar bortitz hori da, eta protoiek, neutroiek eta gainerako hadroiek (barionek zein mesoiek) igorritako pioiei lotutako indar-eremu gisa interpretatzen da.

Kromodinamika kuantikoaren arabera, nukleo atomikoa elkartuta mantentzen duen pioi-eremu hori hadroien barne-osagaietan —quarketan— eragiten duen benetako indar bortitzaren hondar-efektu bat baino ez da. Quarkak elkarri lotuta mantentzen dituzten indarrak nukleo barnean protoiak aldaratzeko sortzen diren indar elektrikoak baino askoz indartsuagoak dira. Izan ere, quark-en arteko indarrak gluoien eraginez sortzen dira, eta hain dira indartsuak, ezen kolorearen konfinamendua deritzona eragiten baitute. Horrek eragotzi egiten du tenperatura arruntetan quarks biluziak ikustea; nukleo astunetan, berriz, posible da protoi edo neutroi batzuk fisio nuklearraren bidez bereiztea edo nukleo atomikoko partikula azkarrekin bonbardatzea.

Quarken kolore-kargaAldatu

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.

Indar nuklear bortitza hondar-indar gisaAldatu

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:

 
 

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.

ErreferentziakAldatu

  1. Antton Gurrutxaga, "Eredu estandarra", Zientzia eta Teknologiaren Hiztegi Entziklopedikoan, https://zthiztegia.elhuyar.eus/terminoa/eu/eredu%20estandar..
  2. a b Antton Gurrutxaga, "Quark", Zientzia eta Teknologiaren Hiztegi Entziklopedikoa., https://zthiztegia.elhuyar.eus/terminoa/eu/quark..

BibliografiaAldatu

  • Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press. ISBN-13: 978-0521313926
  • Richard Feynman (10 March 2017). The Character of Physical Law, with new foreword. MIT Press. ISBN 978-0-262-34173-8.
  • Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. ISBN13 9780801879715
  • Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
  • Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8
  • J.R. Etxebarria (1994) Teoria fisikoen oinarriak. Udako Euskal Unibertsitatea (UEU) ISBN: 84-86967-57-0

Ikus, gaineraAldatu

Kanpo estekakAldatu