Vahva vuorovaikutus | on yksi fysiikan neljästä perusvoimasta
Vahva vuorovaikutus eli vahva ydinvoima on yksi fysiikan neljästä perusvoimasta.
Muut perusvoimat ovat sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus ja gravitaatio. Niitä kutsutaan perusvoimiksi, koska fyysikoilla ei ole yksinkertaisempaa tapaa ymmärtää, mitä voimat tekevät tai miten ne tekevät sen.
Vahva ydinvoima pitää suurimman osan tavallisesta aineesta kasassa. Se tekee tämän kahdella tavalla: se pitää subatomiset hiukkaset, kuten neutronit ja protonit, yhdessä ja sitten se pitää atomiytimen yhdessä.
Se on vahvin perusvoima - monta kertaa vahvempi kuin painovoima (1038 kertaa vahvempi: 1 ja 38 nollaa). Mutta se toimii vain hyvin lyhyillä, muutaman femtometrin (fm) etäisyyksillä. Femtometri on 10−15 (0,00000 00000 00000 00001) metriä.
Tutkijat pitävät usein kahta vahvan vuorovaikutuksen toimintatapaa erillisinä voimina: värivoimaa ja ydinvoimaa. Värivoima pitää subatomiset hiukkaset, kuten protonit ja neutronit, yhdessä 0,8 fm:n ja sitä pienemmillä etäisyyksillä. 1-3 fm:n etäisyyksillä jäljellä oleva (jäljelle jäävä) vahva voima pitää protonit ja neutronit yhdessä atomiytimessä, joten sitä kutsutaan ydinvoimaksi. (Tämä on kuin ajattelisi sähköä ja magnetismia erillisinä voimina, vaikka perusvoima on sähkömagnetismi).
Vahvan vuorovaikutuksen ajatellaan usein johtuvan gluonien toiminnasta, jotka "liimaavat" kvarkkeja yhteen. Gluoneita voidaan vaihtaa (siirtää) kvarkkien, antikvarkkien ja muiden gluonien välillä. Kaikkien näiden hiukkasten sanotaan kantavan värivarausta, jotain, joka joillakin alkeishiukkasilla on ja joka muistuttaa sähkövarausta. Hiukkaset, joilla on värivaraus, vaihtavat gluoneita, kuten hiukkaset, joilla on sähkövaraus, vaihtavat fotoneja.
Kvanttikromodynamiikan (QCD) teorian mukaan vahva voima vaikuttaa kvarkkien ja gluonien välillä. Kvanttikromodynamiikka on teoria, joka selittää eri värit. Vahva voima on gluonien hallitsema perusvoima: se vaikuttaa kvarkkeihin, antikvarkkeihin ja itse gluoniin.
Vahva voima vaikuttaa suoraan vain kvarkkeihin (värivoimana). Kvarkkien muodostamien hadronien (kuten protonien ja neutronien) välillä vahvan voiman vaikutus tunnetaan ydinvoimana (joka ei ole perustavanlaatuinen).
Vahvan voiman voimakkuus on syy siihen, miksi emme voi havaita vapaita kvarkkeja (eli kvarkkeja, jotka ovat itsekseen). Teorian mukaan tarvittaisiin niin paljon energiaa (kvarkin erottamiseen), että sen sijaan syntyisi uusia hadroneja. Tätä kutsutaan värirajoitukseksi, ja sen on nähty tapahtuvan hiukkaskiihdyttimissä.
Väri vahva voima
Värillinen vahva voima on protonin tai neutronin muodostamien kolmen kvarkin välinen voimakas vuorovaikutus. Sitä kutsutaan värivahvaksi voimaksi, koska sähkömagneettisen voiman tavoin vahvassa voimassa on varauksia. Sähkömagneettisessa voimassa on vain yhdenlaisia varauksia, jotka voivat olla joko positiivisia tai negatiivisia (magneettiset varaukset ovat vain hitaasti liikkuvia sähkövarauksia), mutta vahvassa voimassa on kolmenlaisia varauksia. Nämä kolme varaustyyppiä on nimetty värien mukaan: punainen, sininen ja vihreä. Niillä on myös vastavärit: antipunainen, antisininen ja antivihreä. Kuten sähkömagneettisen voiman positiiviset ja negatiiviset varaukset, eri värit vetävät puoleensa ja samat värit hylkivät toisiaan. Joitakin hiukkasia, joilla on värivarauksia, ovat kvarkit ja antikvarkit. Kvarkin tyyppi ei liity lainkaan kvarkin värivaraukseen. Kvarkit ovat yksi pienimmistä tällä hetkellä tunnetuista hiukkasista. Ne eivät vie tilaa, koska ne ovat pistemäisiä, ja ne ovat ainoat hiukkaset, joita emme ole vielä pystyneet hajottamaan muista hiukkasista. Tämä johtuu siitä, että hiukkasten välisen vahvan voiman luonne on sellainen, että se on sitä voimakkaampi, mitä kauempana hiukkaset ovat toisistaan. Vahvan voiman kantajaa kutsutaan gluoniksi. Gluonilla on myös värivaraus. Sekä kvarkilla että gluonilla on ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ainutlaatuisia verrattuna muihin hiukkasiin, kuten Standardimallissa kuvataan.
· 
Kolme kvarkin väriä (punainen, vihreä, sininen). Ne yhdistyvät valkoiseksi eli värittömäksi
· 
Kolme kvarkkien antiväriä (antipunainen, antivihreä, antisininen). Ne yhdistyvät myös värittömiksi.
· 
Vahva voima siirtyy protonin ja neutronin välillä gluonien välityksellä.
Ydinvoima
Ydinvoima eli jäljellä oleva vahva voima (voima, joka jää jäljelle, kun kvarkit on pidetty yhdessä hadronien muodostamiseksi) on hadronien (kvarkkien muodostamien hiukkasten, kuten protonien ja neutronien) välillä vaikuttava (jäljelle jäävä) vahva voima. Se pitää atomin ytimen kasassa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitkä ovat fysiikan neljä perusvoimaa?
V: Fysiikan neljä perusvoimaa ovat sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus, gravitaatio ja vahva ydinvoima.
K: Miten vahva ydinvoima eroaa muista perusvoimista?
V: Vahva ydinvoima on paljon voimakkaampi kuin painovoima (1038 kertaa voimakkaampi), mutta se toimii vain hyvin lyhyillä, muutaman femtometrin (fm) etäisyyksillä. Se pitää subatomiset hiukkaset, kuten neutronit ja protonit, yhdessä ja pitää myös atomiytimen kasassa.
K: Mitä on kvanttikromodynamiikka?
V: Kvanttikromodynamiikka (QCD) on teoria, joka selittää eri värit. Sen mukaan vahva voima vaikuttaa kvarkkien ja gluonien välillä.
K: Miten värien rajoittaminen toimii?
V: Värien rajoittuminen tapahtuu, kun kvarkin erottamiseen tarvittaisiin niin paljon energiaa, että sen sijaan syntyisi uusia hadroneja. Tämä ilmiö on nähtävissä hiukkaskiihdyttimissä.
K: Mitkä hiukkaset kantavat värivarausta?
V: Kvarkit, antikvarkit ja gluonit kantavat kaikki värivarausta, joka on samanlainen kuin sähkövaraus.
K: Miten värivarauksen omaavat hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa keskenään?
V: Värivarauksen omaavat hiukkaset vaihtavat keskenään gluoneita, aivan kuten sähkövarauksen omaavat hiukkaset vaihtavat keskenään fotoneja.
K: Mitä tapahtuu, kun kaksi kvarkkien muodostamaa hadronia vuorovaikuttaa keskenään?
V: Kun kaksi kvarkkien muodostamaa hadronia vuorovaikuttaa keskenään, tämä vahvan voiman vaikutus tunnetaan nimellä ydinvoima (joka ei ole perusvoima).
