De sterke (kern)kracht, sterke interactie of sterke wisselwerking is de sterkste van de vier fundamentele natuurkrachten uit de natuurkunde en is nog ongeveer 100 keer sterker dan de elektromagnetische kracht. De sterke kernkracht zorgt voor de stabiliteit van atoomkernen. De sterke kernkracht kan buiten de atoomkern worden verwaarloosd.
De sterke kernkracht bindt quarks in het inwendige van protonen en neutronen aan elkaar, maar werkt ook binnen de atoomkern door en bindt zo ook de protonen en neutronen in de atoomkern aan elkaar. De kracht wordt door de uitwisseling van gluonen tussen quarks voortgebracht, die beschikken over een interne vrijheidsgraad die kleur wordt genoemd., "From the Universe to the Elementary Particles: A First Introduction to Cosmology and the Fundamental Interactions," Springer Undergraduate Lecture Notes in Physics, 2012, hoofdstuk 6 "The Strong Interaction". De kleur van een quark is er een kwantumgetal van. De kwantumchromodynamica is de natuurkundige theorie die de sterke kernkracht beschrijft.
De sterke kernkracht werkt op alle hadronen.
Geschiedenis De Britse chemicus William Prout had al in 1815 de hypothese geformuleerd dat alle atoomsoorten uit waterstof waren opgebouwd. Het was voor hem dat Ernest Rutherford in 1920 de naam proton voorstelde voor de waterstofkern. Rutherford realiseerde zich dat de kern van zwaardere atomen ook nog neutrale componenten moest bevatten. Zijn assistent James Chadwick zou later in 1932 het neutron identificeren. De verstrooiingsexperimenten waarbij Rutherford alfadeeltjes, heliumkernen op andere atoomkernen afvuurde, leken niet helemaal in overeenstemming met de coulombkracht tussen de positieve protonen in beide kernen. Chadwick samen met Etienne Bieler verklaarde dit in 1921 met het bestaan van de sterke kernkracht. In 1932, na de ontdekking van het neutron, voerde Werner Heisenberg het begrip isospin in. Heisenberg kon met behulp van de isospin verklaren dat de massa van het proton en het neutron bijna hetzelfde zijn, maar ook dat de kracht tussen protonen onderling, tussen neutronen onderling en tussen protonen en neutronen steeds bijna hetzelfde is. Al deze voorspellingen in de kernfysica waren goed in overeenstemming met de waargenomen golfspectra van atoomkernen., "Particles, Fields, Quanta: From Quantum Mechanics to the Standard Model of Particle Physics," Springer Undergratuate Lecture Notes in Physics, 2019, hoofdstuk 8 "QuantumChromodynamics: Quantum Field Theory of the Strong Interaction".
In 1935 publiceerde Hideki Yukawa het vermoeden dat de zwakke en sterke kernkracht niet door een continue potentiaal werden bepaald, maar dat ze gekwantiseerd optraden net zoals de elektromagnetische kracht door fotonen wordt overgebracht. De sterke kernkracht heeft buiten de atoomkern geen betekenis. Uit de korte afstand waarop de sterke kernkracht actief is leidde hij met behulp van de algemene relativiteitstheorie af dat de deeltjes die de kracht overbrengen, massief moesten zijn. Hij leidde een massa af die ongeveer 200 keer die van het elektron bedroeg, en voorspelde spin 0. Die voorspelling leidde zelfs bij Yukawa zelf tot twijfel, omdat er geen deeltjes van die massa bekend waren: de lichtste deeltjes zwaarder dan een elektron waren protonen en neutronen, met ruim 1800 keer de massa van het elektron., "Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics," Princeton University Press, tweede druk 1963.
Het onderzoek van Carl Anderson en Seth Neddermeyer naar de aard van kosmische straling tussen 1934 en 1936 leverde eerst enthousiasme op, omdat zij nieuwe deeltjes observeerden met een massa tussen die van het elektron en het proton. Helaas hadden die deeltjes niet de gewenste eigenschappen van het Yukawa-deeltje en interageerden ze te weinig met atoomkernen. Pas in 1947 slaagde Cecil Powell er met behulp van een nieuwe techniek in pi-mesonen of pionen waar te nemen, door stapels dikke fotografische platen met een luchtballon omhoog te sturen. Pi-mesonen vervallen zo snel dat dat al gebeurt voordat zij bij het aardoppervlak komen. De gemeten massa van het pi-meson bedroeg 273 keer de massa van het elektron.
Mesonen geven aanleiding tot een sterke kernkracht die aantrekt over relatief grote afstanden en afstoot op kleinere afstanden en verklaren goed de stabiliteit van atoomkernen en andere verschijnselen bij lage snelheid. Bij relativistische snelheden en op de nog kleinere schaal van de substructuur van protonen en neutronen is de theorie niet meer bruikbaar. Het was wachten op het quarkmodel van Murray Gell-Mann (1964) om de waargenomen fenomenen in overeenstemming te brengen met de theorie. In dat model is het pi-meson niet langer een elementair deeltje, maar bestaat het uit een quark en een antiquark.
Atoomkernen thumb|Een proton en een neutron oefenen door de uitwisseling van pionen een kracht op elkaar uit.
Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. Iedere atoomkern met meer dan één proton, dus gelijk welke kern behalve die van waterstof, zou op grond van de elektrostatische afstoting tussen de positief geladen protonen snel uiteenvallen. Dat dit klaarblijkelijk niet gebeurt, wijst op de aanwezigheid van een nog sterkere aantrekkingskracht die alleen op de kleine schaal van de diameter van atoomkernen werkt. Het proton en het neutron bestaan allebei uit drie quarks.
Binnen een atoomkern zendt ieder proton en ieder neutron voortdurend pionen uit, die korte tijd later door een ander proton of neutron worden geabsorbeerd. Pionen worden ook pi-mesonen genoemd. Pionen en mesonen in het algemeen bestaan uit een quark en een antiquark. De levensduur van deze mesonen is kort omdat pionen hun massa als het ware aan het vacuüm ontlenen: ze worden virtuele deeltjes genoemd. Het uitzenden en vervolgens absorberen van een pi-meson veroorzaakt een overdracht aan impuls tussen het uitzendende en het absorberende kerndeeltje, en wel in de zin die tegengesteld is aan de bewegingszin van het pi-meson, dat wil zeggen dat de kerndeeltjes naar elkaar toe worden getrokken.
Het netto-effect van al deze momentoverdrachten kan worden gemodelleerd met de Yukawa-potentiaal.
Inwendige van kerndeeltjes thumb|De quarks in een neutron oefenen door het uitwisselen van gluonen een kracht op elkaar uit.
De sterke kernkracht werkt op kleine schaal alleen tussen quarks onderling, tussen antiquarks onderling en tussen quarks en antiquarks. De sterke kernkracht bindt ze samen, zodat deze hadronen kunnen vormen. Baryonen, zoals protonen en neutronen, maar ook mesonen zijn hadronen. Een neutron is bijvoorbeeld uit een up-quark en twee down-quarks opgebouwd. Op grotere schaal, ongeveer 10-15 m, worden ook de nucleonen, de protonen en neutronen door deze kracht in de atoomkern bijeengehouden, al is dat eigenlijk maar een zwak neveneffect van de krachten die in de protonen en neutronen werkzaam zijn. Dit is de Yukawa-potentiaal die de positief geladen atoomkern bijeenhoudt, tegen de elektrostatische afstoting in. Het kan met de vanderwaalskrachten worden vergeleken, die een residu op grotere schaal zijn van de elektromagnetische kracht op kleinere schaal. en , "Introduction to Particle and Astroparticle Physics: Multimessenger Astronomy and its Particle Physics Foundations," Springer Undergraduate Lecture Notes in Physics, 2de uitgave 2018, paragraaf 1.2 "Particles and Fields". De auteurs noemen de sterke kernkracht van dit Wikipedia-artikel kleurkracht en reserveren sterke kernkracht voor het zwakkere residu op grotere schaal.
De sterke kernkracht ontstaat door het continu uitwisselen van krachtvoerende deeltjes, van ijkbosonen tussen de quarks. Deze krachtdragende deeltjes heten gluonen, van het Engelse glue, dat lijm betekent. De sterke kernkracht wordt beschreven door de kwantumchromodynamica. De kleurkracht ligt aan de grondslag van die theorie. Daarbij gaat men ervan uit dat quarks drie kleuren kunnen hebben: rood, blauw en groen en antiquarks ook: antirood, antiblauw en antigroen. Een gluon transporteert kleurlading van de ene quark naar de andere.
Een ander effect waar de sterke kernkracht voor zorgt, is de confinement of opsluiting. Dit houdt in dat een quark nooit los uit zijn hadron kan worden gehaald. Deze opsluiting wordt veroorzaakt doordat de gluonen zelf ook kleurladingen hebben, zodat de sterke kernkracht ook op hen inwerkt. Dit zorgt ervoor dat de sterke kernkracht vele malen zwakker is op heel kleine afstanden en op grote afstanden niet afneemt per afstandseenheid maar constant blijft. Voor afstanden groter dan 0,5 fm fm heeft men berekend dat de grootte van de sterke kernkracht nagenoeg constant 1,8 x 105 N blijft. Als aan een quark die deel uitmaakt van een systeem, meer dan een bepaalde drempelenergie wordt toegevoegd, worden de afstanden niet meer groter, maar wordt spontaan een nieuw quark-antiquarkpaar gevormd. Afzonderlijke quarks worden niet waargenomen.
Een voorstelling hiervan zou kunnen zijn dat de quarks door touwtjes of strings aan elkaar zijn vastgebonden, dus relatief vrij kunnen bewegen als ze op korte afstand van elkaar staan en de strings slap hangen. Als ze verder van elkaar komen te staan, worden de strings aangespannen, waardoor de volle kracht op de quarks kan inwerken en ook niet per afstandseenheid afneemt.
Een belangrijk verschil tussen de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht is dat fotonen, de dragers van de elektromagnetische wisselwerking, geen elektrische lading hebben, terwijl gluonen wel degelijk een kleurlading dragen. Dit maakt de analyse ingewikkelder omdat gluonen ook met elkaar kunnen interageren.
Gebonden toestanden Quarks kunnen dus niet afzonderlijk voorkomen, maar er zijn nog meer beperkingen: de groep moet kleurneutraal zijn. Gewoonlijk worden de woorden groen, rood en blauw gebruikt voor quarks, en antigroen, antirood en antiblauw voor antiquarks. De eenvoudigste kleurneutrale groepen zijn dan enerzijds paren van een quark met een antiquark van de juiste tegenkleur, de mesonen, en drietallen van quarks of van antiquarks met verschillende kleuren, de baryonen. In deeltjesversnellers zijn aanwijzingen gevonden voor het bestaan van combinaties van tetraquark, die uit vier quarks bestaan, en van pentaquark met vijf quarks.
Het feit dat er zes soorten quarks bestaan, aangeduid met de letters u, d, s, c, t en b, en evenveel antiquarks, én het feit dat hadronen in aangeslagen toestand een aanzienlijk hogere massa kunnen hebben dan in de grondtoestand, waardoor ze als afzonderlijke deeltjes zijn benoemd, geeft aanleiding tot de grote verscheidenheid aan hadronen. Een proton heeft de structuur uud en een neutron bestaat uit de quarks ddu.
Categorie:Fundamentele natuurkracht Categorie:Kernfysica