Tương tác mạnh

Trong vật lý hạt nhân, tương tác mạnh là cơ chế tạo ra lực hạt nhân mạnh, là một trong bốn loại tương tác cơ bản, bên cạnh điện từ, tương tác yếu và lực hấp dẫn. Trong khoảng 10 m (1 femtometer), lực tương tác mạnh mạnh gấp khoảng 137 lần lực điện từ, một triệu lần lực tương tác yếu và 10 lần lực hấp dẫn. Lực hạt nhân mạnh giữ các hạt quark gắn bó thành hadron như proton và neutron, đồng thời kết nối các proton và neutron để hình thành hạt nhân nguyên tử. Phần lớn khối lượng của proton hoặc neutron là nhờ năng lượng của lực mạnh, còn các quark chỉ chiếm khoảng 1% khối lượng của proton.

Tương tác mạnh hoạt động ở hai quy mô và được trung gian bởi hai loại hạt tải điện. Ở quy mô lớn hơn (khoảng 1 đến 3 fm), đó là lực do các meson mang, liên kết các proton và neutron (nucleon) để hình thành hạt nhân nguyên tử. Ở quy mô nhỏ hơn (dưới khoảng 0,8 fm, bán kính của nucleon), đó là lực do gluon mang giữ các hạt quark lại với nhau để tạo thành proton, neutron và các hadron khác, thường được gọi là lực màu. Lực mạnh có cường độ cao đến mức có thể tạo ra các hadron mới với khối lượng lớn khi các hadron bị tác động bởi các hạt năng lượng cao. Điều này gọi là sự hạn chế màu sắc, ngăn chặn việc phát xạ gluon tự do và tạo ra các phản lực với khối lượng lớn.

Trong bối cảnh của hạt nhân nguyên tử, lực tương tác mạnh (liên kết các quark trong nucleon) cũng liên kết các proton và neutron để tạo thành hạt nhân. Lực này được gọi là lực hạt nhân (hay lực mạnh dư). Tương tác mạnh giữa proton và neutron cũng gắn kết các hạt nhân lại với nhau, nhưng hành vi của nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nucleon và khác biệt khi nó liên kết các quark trong nucleon. Sự khác biệt cũng xuất hiện trong năng lượng liên kết của lực hạt nhân trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân. Phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng chủ yếu cho Mặt trời và các ngôi sao khác, trong khi phân hạch hạt nhân cho phép phân rã các nguyên tố và đồng vị phóng xạ, thường là kết quả của tương tác yếu. Trong lĩnh vực nhân tạo, năng lượng liên kết với lực hạt nhân được sử dụng trong năng lượng hạt nhân và vũ khí hạt nhân, bao gồm cả vũ khí phân hạch và vũ khí nhiệt hạch như bom khinh khí.

Tương tác mạnh được thực hiện qua sự trao đổi các hạt không khối lượng gọi là gluon, giữa các quark, phản quark và các gluon khác. Gluons tương tác với quark và nhau qua một loại điện tích gọi là điện tích màu, tương tự như điện tích điện từ nhưng có ba loại (± đỏ, ± xanh lục, ± xanh lam). Điều này tạo ra một loại lực và các quy tắc hoạt động khác biệt. Các quy tắc này được mô tả trong lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD), lý thuyết về tương tác giữa quark và gluon.

Diễn biến lịch sử

Trước những năm 1970, các nhà vật lý chưa rõ cơ chế liên kết của hạt nhân nguyên tử. Họ đã biết rằng hạt nhân bao gồm proton và neutron, với proton mang điện tích dương và neutron không mang điện. Theo hiểu biết thời bấy giờ, các điện tích dương sẽ đẩy nhau và làm hạt nhân phân rã. Tuy nhiên, hiện tượng này không bao giờ được quan sát thấy. Một lý thuyết mới là cần thiết để giải thích hiện tượng này.

Một lực mạnh hơn đã được phát hiện để giải thích cách các hạt nhân nguyên tử duy trì liên kết bất chấp lực đẩy từ các proton mang điện tích dương. Lực này, được gọi là lực mạnh, được coi là cơ chế cơ bản liên kết các proton và neutron trong hạt nhân.

Sau đó, người ta phát hiện rằng proton và neutron không phải là hạt cơ bản mà được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn gọi là quark. Lực mạnh liên kết các nucleon là tác dụng phụ của một lực cơ bản hơn giữ các quark gắn bó thành proton và neutron. Lý thuyết sắc động lực học lượng tử cho rằng các quark mang điện tích màu, không liên quan đến màu sắc nhìn thấy, và chúng tương tác qua tương tác mạnh với các gluon làm trung gian.

Đặc điểm của lực tương tác mạnh

Từ mạnh được chọn vì lực tương tác mạnh là lực 'mạnh nhất' trong số bốn lực cơ bản. Ở khoảng cách dưới 1 femtômét (1 fm = 10^-15 mét), sức mạnh của nó gấp khoảng 137 lần lực điện từ, hàng triệu lần lực yếu và khoảng 10 lần so với lực hấp dẫn.

Lực tương tác mạnh được mô tả bởi lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD), một phần của mô hình tiêu chuẩn trong vật lý hạt. Về mặt toán học, QCD là lý thuyết đo lường phi Abel, dựa trên nhóm đối xứng cục bộ SU(3).

Hạt mang lực của tương tác mạnh là gluon, một boson không khối lượng. Khác với photon trong điện từ học là trung hòa, gluon mang điện tích màu. Các quark và gluon là những hạt cơ bản duy nhất mang điện tích màu không biến mất, và do đó chỉ tương tác mạnh với nhau. Lực mạnh là kết quả của sự tương tác giữa các gluon với các quark và gluon khác.

Tất cả các quark và gluon trong QCD tương tác với nhau thông qua lực mạnh. Mức độ tương tác này được điều chỉnh bởi hằng số ghép nối mạnh. Mức độ này phụ thuộc vào điện tích màu của hạt, một thuộc tính lý thuyết nhóm.

Lực mạnh tác động giữa các hạt quark không giống như các lực khác (điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn) vì nó không giảm khi khoảng cách giữa các cặp quark tăng lên. Khi đạt đến một khoảng cách nhất định (kích thước của hạt hadron), lực mạnh vẫn giữ độ bền khoảng 10.000 newton (N), bất kể khoảng cách giữa các quark lớn như thế nào. Khi quark tách ra xa nhau, năng lượng thêm vào cặp quark tạo ra các cặp quark mới, ngăn cản việc tách rời quark đơn lẻ. Hiện tượng này, gọi là sự hạn chế màu sắc trong QCD, giải thích rằng chỉ có các hạt hadron, không phải các quark đơn lẻ, mới được quan sát thấy. Sự thất bại của các thí nghiệm tìm kiếm quark tự do chứng tỏ hiện tượng này.

Các hạt quark và gluon cơ bản trong các va chạm năng lượng cao không thể quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, sự tương tác tạo ra các hạt hadron mới, mà có thể quan sát được, là biểu hiện của sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng. Khi đủ năng lượng được tích tụ vào liên kết quark-quark, như trong thí nghiệm máy gia tốc hạt, các hạt hadron mới xuất hiện. Mặc dù vậy, các plasmas quark-gluon đã được quan sát thấy.

Lực mạnh dư

Không phải tất cả quark trong vũ trụ tương tác với nhau theo cách độc lập với khoảng cách. Sự hạn chế màu cho thấy lực mạnh chỉ hoạt động mà không làm giảm khoảng cách giữa các quark, và trong các tập hợp quark liên kết (hadron), điện tích màu thực của quark bị hủy bỏ, dẫn đến giới hạn hoạt động của lực. Các hạt hadron gần như không có điện tích màu, do đó lực mạnh giữa chúng gần như không còn. Tuy nhiên, lực dư này vẫn tồn tại và giảm nhanh chóng theo khoảng cách, với phạm vi rất ngắn (vài femto). Nó biểu hiện như một lực giữa các hạt hadron không màu, đôi khi được gọi là lực hạt nhân mạnh hoặc đơn giản là lực hạt nhân.

Lực hạt nhân tác động giữa các hạt hadron, như meson và baryon. Lực mạnh dư này, hoạt động gián tiếp, truyền các gluon tạo thành một phần của π ảo và ρ meson, từ đó truyền lực giữa các nucleon trong hạt nhân (ngoài protium).

Lực mạnh dư là phần dư nhỏ của lực mạnh chính, liên kết các quark thành proton và neutron. Lực này yếu hơn nhiều giữa neutron và proton, vì nó chủ yếu bị trung hòa bên trong chúng, tương tự như lực điện từ yếu hơn giữa các nguyên tử trung hòa (lực van der Waals) so với lực điện từ giữ electron liên kết với hạt nhân, tạo thành nguyên tử.

Khác với lực mạnh chính, lực mạnh dư giảm nhanh khi khoảng cách tăng. Sự giảm này gần như theo lũy thừa âm của khoảng cách, dù không có biểu thức đơn giản; tiềm năng Yukawa là ví dụ. Sự giảm nhanh của lực dư và sự giảm ít hơn của lực đẩy điện từ giữa các proton trong hạt nhân dẫn đến sự không ổn định của các hạt nhân lớn hơn, như các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 82 (chì).

Mặc dù lực hạt nhân yếu hơn lực tương tác mạnh, nhưng nó vẫn có năng lượng cao: sự chuyển tiếp tạo ra tia gamma. Khối lượng của hạt nhân thường thấp hơn tổng khối lượng của các nucleon riêng lẻ. Khuyết tật khối lượng này là do thế năng liên kết của lực hạt nhân. Sự khác biệt giữa khuyết tật khối lượng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân.

Hợp nhất

Lý thuyết thống nhất lớn (GUT) nhằm kết hợp tương tác mạnh và tương tác điện yếu thành một lực duy nhất, tương tự như cách mô hình Glashow – Weinberg – Salam thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu thành lực điện yếu. Tương tác mạnh có đặc tính tự do tiệm cận, tức là sức mạnh của nó giảm khi năng lượng (hoặc nhiệt độ) tăng lên. Năng lượng tại điểm mà sức mạnh của lực mạnh bằng sức mạnh của tương tác điện yếu được gọi là năng lượng hợp nhất lớn. Tuy nhiên, hiện tại chưa có lý thuyết đại thống nhất nào được xây dựng thành công, và đây vẫn là một vấn đề mở trong vật lý.

Nếu GUT là chính xác, thì sau Vụ nổ lớn và trong kỷ nguyên điện yếu của vũ trụ, lực điện yếu đã tách khỏi lực mạnh. Điều này gợi ý rằng đã có một thời kỳ thống nhất lớn trước thời kỳ này.

• Tương tác cơ bản
• Lý thuyết sắc động lực học lượng tử
• Lý thuyết trường thống nhất
• Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng
• Lý thuyết dây

Liên kết bên ngoài

• Strong force tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Tương tác mạnh tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Các lực trong tự nhiên, V. Grigôriev và G. Miakisev: Phần 1, Phần 2, Phần 3, Phần 4, Phần 5, Phần 6, Phần 7