Vahva vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus (värivoima, vahva voima, vahva ydinvoima, joskus myös ydinvoima) on vahvin kolmesta hiukkasfysiikan standardimallin perusvuorovaikutuksesta. Se sitoo kvarkit hadroneiksi. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on mittabosoneihin kuuluva gluoni.

Vahva ja sähköinen vuorovaikutus

Vahvaa vuorovaikutusta kuvaava kenttäteoria on hiukkasfysiikan standardimalliin kuuluva kvanttiväridynamiikka (QCD) . Se on analoginen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kvanttikenttäteorian  (kvanttisähködynamiikka, QED) kanssa siten, että sähkövarausta vastaa värivaraus ja fotonia gluoni. Gluoneilla on kuitenkin itselläänkin värivaraus, kun taas fotoneilla ei ole sähkövarausta.
Atomin ytimessä protonien välillä on hyvin voimakas sähköinen poistovoima ja nukleonit ovat nopeassa liikkeessä. Silti ydin pysyy koossa. Protoneja sitoo toisiinsa vahva vuorovaikutus (värivoima). Se aiheuttaa vetovoiman myös neutronien välille samoin kuin neutronin ja protonin välille. Myös sähkömagneettisuus vaikuttaa, mutta vahva vuorovaikutus on paljon vahvempi ja siten hallitseva.
Kvarkeilla on värejä (ei oikeita, kuviteltuja): kolme väriä ja kolme niitä vastaavaa antiväriä. Eri väriset kvarkit vetävät toisiaan puoleensa (värivoima), kuten eri sähkövaraukset omaavat hiukkaset vetävät toisiaan. Värivoima ulottuu myös hadronien ulkopuolelle ja tämä saa ytimen pysymään koossa (ydinvoima). Gluoni välittää värivoiman nukleonien kesken samoin kuin kvarkkien välisen vuorovaikutuksen.  Kvarkkien värit koostuvat gluonien eri väreistä, gluonit voivat siirtyä kvarkista toiseen. Tällä tavalla kvarkki voi vaihtaa väriään. Kokonaisuutena hadronit ovat aina värineutraaleja: baryonissa on aina jokaista väriä, jolloin ne kumoavat toisensa. Mesonissa on väri ja sitä vastaava antiväri, jolloin värivaraus tulee nollaksi. Sen sijaan gluonit ovat värivarauksellisia: ne sisältävät jonkin värin ja antivärin, jotka eivät siis ole toistensa vastavärejä.

Asymptoottinen vapaus

Vahvalla vuorovaikutuksella on asymptoottiseksi vapaudeksi kutsuttu ominaisuus. Tämä tarkoittaa sitä, että kvarkkien välisen vuorovaikutuksen suuruus riippuu etäisyydestä (tai energiaskaalasta) siten, että voima on pienillä etäisyyksillä (suurilla energioilla) heikompi kuin suurilla etäisyyksillä (tai pienillä energioilla). Tämä johtaa siihen, että kvarkkien irrottamiseksi toisistaan tarvittaisiin äärettömän suuri energia. Tämä energia kuitenkin riittää synnyttämään uusia värineutraaleja hiukkasia, joten kvarkkeja ei voida havaita vapaina.
Kvanttikromodynamiikan asymptoottisen vapauden todistivat ensimmäisenä David Gross, David Politzer ja Frank Wilczek. Heille myönnettiin tästä työstä vuoden 2004 Nobelin fysiikanpalkinto.

Vaikutusala

Vahvassa vuorovaikutuksessa nukleonien välillä voiman luonne riippuu etäisyydestä. Jos etäisyys on 0,4–2 femtometriä, vallitsee vahva vetovoima. Jos taas etäisyys on alle 0,4 fm, vallitsee vahva hylkivä voima, joten ytimessä olevat nukleonit eivät kosketa toisiaan. Kun nukleonien etäisyys on suurempi kuin 2 fm niin vuorovaikutus heikkenee nopeasti. Vaikutusta voi verrata jouseen. Mitä kauemmaksi jousta venytetään, sitä enemmän jousi panee vastaan, mutta sekin kuitenkin katkeaa joskus. Jos taas jousta puristetaan kasaan, se työntää takaisin. Sama pätee hadroneihin. Jos yritetään hajottaa mesonia kvarkiksi ja antikvarkiksi syntyy uusi mesoni. Baryonienkin hajotessa syntyy taas uusia yhdistelmähiukkasia. Esimerkiksi neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi (neutronin beta-hajoaminen).
Nukleonin halkaisija on noin 1 fm (10⁻¹⁵ m), ytimen noin 10 fm. Siksi ytimen vastakkaisilla puolilla olevien nukleonien välille ei synny vahvaa vuorovaikutusta. Nukleonit ovat tekemisissä vahvan vuorovaikutuksen välityksellä vain lähimpien naapurinukleoniensa kanssa. Tämä on yksi syy siihen, että raskaiden ytimien rakenne on löyhempi (epästabiilimpi) kuin keskiraskaiden. Stabiilein on rautaydin.