Tương tác mạnh

Trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt, tương tác mạnh là cơ chế gây ra lực hạt nhân mạnh, và là một trong bốn tương tác cơ bản đã biết, với những tương tác khác là điện từ, tương tác yếu và lực hấp dẫn. Trong khoảng 10−15 m (1 femtometer), lực tương tác mạnh gấp xấp xỉ 137 lần lực điện từ, mạnh gấp một triệu lần lực tương tác yếu và mạnh gấp 1038 lần lực hấp dẫn. Lực hạt nhân mạnh giữ hầu hết các vật chất bình thường lại với nhau bởi vì nó trói các hạt quark thành các hạt hadron như proton và neutron. Ngoài ra, lực mạnh liên kết các neutron và proton này để tạo ra hạt nhân nguyên tử. Phần lớn khối lượng của một proton hoặc neutron thông thường là kết quả của năng lượng trường lực mạnh; các quark riêng lẻ chỉ cung cấp khoảng 1% khối lượng của một proton.
Tương tác mạnh có thể quan sát được ở hai phạm vi và là trung gian của hai 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) với nhau để tạo thành hạt nhân của nguyên tử. Ở quy mô nhỏ hơn (nhỏ hơn khoảng 0,8 fm, bán kính của một nucleon), đó là lực (do gluon mang theo) giữ các hạt quark lại với nhau để tạo thành proton, neutron và các hạt hadron khác. Trong bối cảnh sau, nó thường được gọi là lực màu. Lực mạnh vốn có một cường độ cao đến mức các hạt hadron bị ràng buộc bởi lực mạnh có thể tạo ra các hạt có khối lượng lớn mới. Do đó, nếu các hạt hadron bị tác động bởi các hạt năng lượng cao, chúng sẽ tạo ra các hạt hadron mới thay vì phát ra bức xạ chuyển động tự do (gluon). Tính chất này của lực mạnh được gọi là sự hạn chế màu sắc, và nó ngăn cản sự "phát xạ" tự do của lực mạnh: thay vào đó, trong thực tế, các phản lực của các hạt có khối lượng lớn được tạo ra.
Trong bối cảnh của hạt nhân nguyên tử, cùng một lực tương tác mạnh (liên kết các quark trong một nucleon) cũng liên kết các proton và neutron với nhau để tạo thành một hạt nhân. Với khả năng này nó được gọi là lực hạt nhân (hay lực mạnh dư). Vì vậy, chân không từ tương tác mạnh giữa proton và neutron cũng liên kết các hạt nhân với nhau. Do đó, tương tác mạnh còn lại tuân theo một hành vi phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nucleon hoàn toàn khác với khi nó hoạt động để liên kết các quark trong nucleon. Ngoài ra, sự khác biệt tồn tại trong năng lượng liên kết của lực hạt nhân của phản ứng tổng hợp hạt nhân và sự phân hạch hạt nhân. Phản ứng tổng hợp hạt nhân chiếm hầu hết sản lượng năng lượng trên Mặt trời và các ngôi sao khác. Sự phân hạch hạt nhân cho phép phân rã các nguyên tố và đồng vị phóng xạ, mặc dù nó thường là trung gian của tương tác yếu. Về mặt nhân tạo, năng lượng liên kết với lực hạt nhân được giải phóng một phần trong năng lượng hạt nhân và vũ khí hạt nhân, cả trong vũ khí phân hạch dựa trên uranium hoặc plutonium và trong vũ khí nhiệt hạch như bom khinh khí.
Tương tác mạnh được thực hiện bởi sự trao đổi các hạt không khối lượng gọi là gluon hoạt động giữa các quark, phản quark và các gluon khác. Gluons được cho là tương tác với quark và các gluon khác bằng một loại điện tích gọi là điện tích màu. Điện tích màu tương tự như điện tích điện từ, nhưng nó có ba loại (± đỏ, ± xanh lục, ± xanh lam) chứ không phải một, dẫn đến một loại lực khác, với các quy tắc hoạt động khác nhau. Các quy tắc này được trình bày chi tiết trong lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD), là lý thuyết về tương tác quark-gluon.