הכוח החזק

הכוח החזק (Strong force או Strong interaction) הוא אחד מארבעת כוחות היסוד בטבע (האחרים הם הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש וכוח הכבידה). טווח הפעולה של הכוח החזק הוא בסדר הגודל של קוטר גרעין האטום, פמטומטר (‎10⁻¹⁵‎ מטרים). בקנה מידה זה, עוצמת הכוח החזק גדולה בממוצע פי כ-137 מעוצמת הכוח האלקטרומגנטי, פי כ-1,000,000 מעוצמת הכוח החלש ופי כ-‎10³⁸‎ מעוצמת כוח הכבידה.
החלקיק הנושא את הכוח החזק הוא הגלואון. זאת, כשם שהכוח האלקטרומגנטי מועבר באמצעות פוטונים והכוח החלש באמצעות בוזוני W ו-Z. כרומודינמיקה קוונטית (quantum chromodynamics או QCD) היא התאוריה המתארת את הכוח החזק ואופן פעולתו.
הכוח החזק פועל בשתי רמות. ברמה הבסיסית יותר (מרחקים קצרים מ-0.8 פמטומטר לערך), הוא מחבר קווארקים, שהם חלקיקים יסודיים, לכדי האדרונים (חלקיקים מורכבים העשויים מקווארקים וגלואונים). ההאדרונים נחלקים לבאריונים ומזונים. עם הבאריונים נמנים הנוקליאונים, שהם הפרוטון והנייטרון. ברמה זו, הכוח החזק אחראי לתופעת הכליאה (color confinement) ולכך שהצבע הכולל של האדרונים הוא לבן, כלומר, להאדרון בשלמותו אין מטען צבע.
רוב המסה של האדרונים מקורה באנרגיית השדה של הכוח החזק, היא אנרגיית הקשר הכרומודינמית. כך, לדוגמה, פרוטון הוא בעל מסת מנוחה של כ-938 MeV, כאשר סכום מסות המנוחה של שלושת קווארקי הערכיות (valence quarks) שבתוכו הוא כ-9.4 MeV בלבד. הווה אומר, כ-99% ממסת הפרוטון אינם מגיעים ממסת המנוחה של קווארקי הערכיות, אלא מהאנרגיה של הכוח החזק. מכיוון שמרבית המסה של האטומים מרוכזת בנוקליאונים, יחד עם העובדה שאטומים הם אבני הבניין של כל החומר המוכר, הרי כמעט כל המסה של החומר המוכר היא למעשה אנרגיה של הכוח החזק.
כאשר הקווארקים מחוברים לכדי האדרון, הם מבטלים את רוב הכוח החזק (בדומה לדיפול חשמלי). מכאן נותרת הרמה השנייה של פעולת הכוח החזק, היא הכוח הגרעיני (nuclear force), הפועל בין נוקליאונים בגרעין האטום. כוח זה מכונה גם הכוח החזק השיורי (residual strong force). עקב היותו שיורי, הכוח הגרעיני חלש בהשוואה לכוח החזק התוך-האדרוני. הכוח הגרעיני היה מוכר עוד טרם הופעת מודל הקווארקים וכך גם הפאיונים, שהם החלקיקים הנושאים את הכוח הגרעיני, לצד שני סוגים נוספים של מזונים, מזוני רו ואומגה. לאחר גילוי הקווארקים ותחילת פיתוח הכרומודינמיקה הקוונטית, התברר הקשר בין הכוח החזק לכוח הגרעיני. עם טווח פעולה של 0.7 עד 2 פמטומטר, הכוח החזק השיורי אחראי למשיכת הפרוטונים והנייטרונים יחד ליצירת גרעין האטום.

אופן פעולה

על-פי הכרומודינמיקה הקוונטית, כל קווארק נושא מטען צבע, אשר יכול להיות בעל אחד משלושה ערכים: אדום, ירוק  וכחול. אלו רק כינויים ואין להם קשר לצבעים רגילים. צבעם של אנטי-קווארקים עשוי להיות אנטי-אדום (ציאן), אנטי-ירוק (מג'נטה) או אנטי-כחול (צהוב). המשיכה בין צבע לאנטי-צבע שלו היא חזקה במיוחד. חלקיקים מורכבים (האדרונים) יכולים להתקיים אך ורק אם הצבע הכולל שלהם הוא נייטרלי, כלומר, לבן. האדרונים עשויים להיות מורכבים מקווארקים (אנטי-)אדום, (אנטי-)ירוק ו(אנטי-)כחול (האדרון כזה הוא באריון), או מקווארק ואנטי-קווארק שיש להם צבע ואנטי-צבע תואמים (האדרון כזה הוא מזון).
האינטראקציה החזקה פועלת בין קווארקים באמצעות העברת גלואונים, שהם בוזוני כיול. ישנם שמונה סוגים של גלואונים, כאשר כל אחד מהם נושא מטען צבע ומטען אנטי-צבע.
כאשר נוצרת אינטראקציה בין זוגות של קווארקים הם משנים את צבעם ללא הרף, אך בדרך כזו שהצבע הכולל שלהם נשמר. אם, לדוגמה, קווארק אדום נמשך לקווארק ירוק בתוך באריון, גלואון הנושא צבע אנטי-ירוק ואדום ישתחרר מהקווארק האדום וייקלט בקווארק הירוק; כתוצאה מכך, הקווארק הראשון משתנה לירוק והשני לאדום (הצבע הכולל עדיין נשאר אדום+ירוק). אם קווארק כחול ואנטי-קווארק אנטי-כחול מגיבים בתוך מזון, גלואון הנושא, לדוגמה, אנטי-אדום וכחול יכול להשתחרר מהקווארק הכחול ולהקלט באנטי-כחול; כתוצאה, הקווארק הכחול הופך לאדום והאנטי-קווארק האנטי-כחול הופך לאנטי-אדום. מטען הצבע הכולל נותר 0. אם שני קווארקים ירוקים מגיבים האחד עם השני בהחלפת גלואון הנושא צבע ירוק ואנטי-ירוק, הקווארקים נותרים ירוקים.
שלא כמו כוחות יסוד אחרים, הכוח החזק פועל גם על נושאי הכוח עצמם, מכיוון שגלואונים נושאים גם הם מטען צבע. דבר זה גורם לכך שטווח הפעולה של הכוח החזק יהיה מוגבל מאוד (לא הרבה יותר מקוטר של האדרון). הכל, על אף שלגלואון אין מסה. לעומת זאת, לפוטונים אין בעצמם את המטען שהם מעבירים (מטען חשמלי) ולכן טווח הפעולה של הכוח האלקטרומגנטי הוא אינסופי.
מאפיין נוסף של הכוח החזק, המנוגד לכל הכוחות היסודיים האחרים, הוא שהכוח מתחזק ככל שהמרחק בין קווארקים גדל. האפקט הזה מונע מאתנו לצפות בקווארקים חופשיים. ככל שהמרחק בין שני קווארקים גדל, כמות האנרגיה של הכוח החזק ביניהם גדלה. לבסוף, נוצרת מספיק אנרגיה ליצירת קווארקים חדשים. זו הסיבה שניתן לראות קווארקים רק כחלק מהאדרונים ולעולם לא כיחידים. אנלוגיה העוזרת להסביר תופעה זו היא אנלוגיית הגומיה. אם מותחים גומיה חזק מספיק, יווצרו שתי גומיות חדשות. כך הדבר עם קווארקים: אם שני קווארקים מורחקים אחד מהשני די הצורך, שני קווארקים נוספים יווצרו.
התופעה, כתוצאה ממנה אי אפשר להפריד קווארקים זה מזה, היא תופעת הכליאה או "ריתוק". גם התופעה הנגדית מתקיימת: משערים כי הכוח החזק לא משפיע על קווארקים הקרובים מאוד האחד לשני, כך שהם נעשים "חופשיים". תופעה זו נקראת חופש אסימפטוטי. גם במקרה זה, אנלוגיית הגומיה עוזרת להמחיש את התופעה. כאשר שני צדי הגומיה קרובים אחד לשני, לא פועל ביניהם כוח וכל צד נע בלי קשר לתנועת הצד השני.
במסגרת המודל הסטנדרטי הכוח החזק מיוצג על ידי חבורת הכיול SU(3).