Vahva vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus (värivoima, vahva voima, vahva ydinvoima, joskus myös ydinvoima) on vahvin kolmesta hiukkasfysiikan standardimallin perusvuorovaikutuksesta. Se sitoo kvarkit hadroneiksi (kuten protoneiksi ja neutroneiksi), sekä pitää atomiytimen kasassa. Vastaavasti heikko vuorovaikutus mahdollistaa ytimen radioaktiivisen hajoamisen. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on mittabosoneihin kuuluva gluoni.
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.
Värivaraus.
Kvarkeilla on niin sanottu värivaraus: kolme väriä (punainen, sininen ja vihreä) ja kolme niitä vastaavaa antiväriä. Värivarauksella ei ole mitään tekemistä fysikaalisen värin kanssa, vaan kyseessä on fyysikoiden tapa havainnollistaa vahvan vuorovaikutuksen varausta. Eri väriset kvarkit vetävät toisiaan puoleensa (värivoima), kuten eri sähkövaraukset omaavat hiukkaset vetävät toisiaan. Sähkövarauksia on kuitenkin vain kaksi (positiivinen ja negatiivinen), kun taas värivarauksia on kolme.
Kvarkit voivat vaihtaan väriään gluonien välityksellä. Kokonaisuutena hadronit ovat aina värineutraaleja: baryonissa on aina yksi 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 sellaisen antivärin, joka ei ole kyseisen värin vastaväri.
Ydinvoima.
Atomin ytimessä protonien välillä on hyvin voimakas sähköinen poistovoima ja nukleonit, eli protonit ja neutronit, ovat nopeassa liikkeessä. Silti atomiydin pysyy koossa. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi, mutta lisäksi tämän voiman niin sanottu jäännösvoima sitoo protonit ja neutronit toisiinsa atomiytimiksi. Tätä voimaa kutsutaan joskus ydinvoimaksi.
Vahvassa vuorovaikutuksessa nukleonien välillä voiman luonne riippuu etäisyydestä. Jos etäisyys on noin 1 femtometri (10−15 m), vallitsee vahva vetovoima. Jos taas etäisyys on alle 0,7 fm, vallitsee 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.
Atomiytimen halkaisija on 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. Kaikkein stabiilein atomiydin on rautaydin.
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.