ในฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาคแรงปฏิกิริยาเข้มข้นหรือที่เรียกว่าแรงนิวเคลียร์เข้มข้นเป็นหนึ่งในสี่แรงปฏิกิริยาพื้นฐาน ที่รู้จัก กัน มันกักขังควาร์กไว้ในโปรตอนนิวตรอนและ อนุภาค แฮดรอน อื่นๆ และยังยึดเหนี่ยวนิวตรอนและโปรตอนเข้า ด้วยกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งในที่นี้เรียกว่าแรงนิวเคลียร์

มวลส่วนใหญ่ของโปรตอนหรือนิวตรอนเป็นผลมาจากพลังงานปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ควาร์กแต่ละตัวให้มวลเพียงประมาณ 1% ของมวลของโปรตอนเท่านั้น ในระยะ 10 ⁻¹⁵  เมตร (1 เฟมโตเมตรมากกว่ารัศมีของนิวคลีออน เล็กน้อย ) แรงที่แข็งแกร่งจะแข็งแกร่งกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ประมาณ 100 เท่า แข็งแกร่งกว่าแรงปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอประมาณ 10 ⁶ เท่า และแข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงประมาณ 10 ^{38 เท่า [ 1 ]}

ในบริบทของนิวเคลียสอะตอม แรงจะยึดโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันเพื่อสร้างนิวเคลียส และเรียกว่าแรงนิวเคลียร์ (หรือแรงนิวเคลียร์แบบแรงตกค้าง ) ^{[ 2 ]}เนื่องจากแรงนี้ถูกส่งผ่านโดยเมซอน ที่มีมวลและอายุสั้น ในระดับนี้ ปฏิสัมพันธ์แบบแรงตกค้างจึงมีพฤติกรรมที่ขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างนิวคลีออน ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากเมื่อมันทำหน้าที่ยึดควาร์กภายในแฮดรอน นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างในพลังงานยึดเหนี่ยวของแรงนิวเคลียร์เมื่อพิจารณาถึง ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์เทียบ กับปฏิกิริยาฟิสชันนิวเคลียร์ ปฏิกิริยา ฟิวชันนิวเคลียร์คิดเป็นสัดส่วนส่วนใหญ่ของการผลิตพลังงานในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ดวง อื่น ๆ ปฏิกิริยาฟิสชันนิวเคลียร์ทำให้เกิดการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีและไอโซโทปแม้ว่ามักจะถูกส่งผ่านโดยปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน พลังงานที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์จะถูกปล่อยออกมาบางส่วนในพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ทั้งใน อาวุธฟิสชันที่ใช้ ยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม และในอาวุธฟิว ชันเช่นระเบิดไฮโดรเจน^{[ 3 ] [ 4 ]}

ก่อนปี 1971 นักฟิสิกส์ยังไม่แน่ใจว่านิวเคลียสของอะตอมยึดเหนี่ยวกันได้อย่างไร เป็นที่ทราบกันว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนโดยโปรตอนมีประจุไฟฟ้า บวก ขณะที่นิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า จากหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับการยอมรับ ประจุบวกควรจะผลักกัน และโปรตอนที่มีประจุบวกควรจะทำให้นิวเคลียสแตกกระจายออกไป อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์นี้ไม่เคยมีการสังเกตพบ จึงจำเป็นต้องมีการค้นพบใหม่ๆ ในวิชาฟิสิกส์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้

มีการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับแรงดึงดูดที่แข็งแกร่งกว่าเพื่ออธิบายว่าเหตุใดนิวเคลียสของอะตอมจึงถูกยึดเหนี่ยวไว้ได้ แม้ว่าโปรตอนจะผลักกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าก็ตาม แรงที่ตั้งสมมติฐานนี้เรียกว่าแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม (strong force ) ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นแรงพื้นฐานที่กระทำต่อโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียส

ในปี พ.ศ. 2507 Murray Gell-MannและGeorge Zweigเสนอว่าแบริออนซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอน และเมซอนนั้นประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน Zweig เรียกอนุภาคพื้นฐานว่า "เอซ" ในขณะที่ Gell-Mann เรียกว่า "ควาร์ก" ทฤษฎีนี้จึงถูกเรียกว่าแบบจำลองควาร์ก [ ^{5 ] แรงดึงดูด}อันแรงกล้าระหว่างนิวคลีออนเป็นผลข้างเคียงของแรงพื้นฐานที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน ทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์อธิบายว่าควาร์กมีสิ่งที่เรียกว่าประจุสีแม้ว่าจะไม่มีความเกี่ยวข้องกับสีที่มองเห็นได้ก็ตาม^{[ 6 ]}ควาร์กที่มีประจุสีต่างกันจะดึงดูดซึ่งกันและกันอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาอันแรงกล้า และอนุภาคที่เป็นตัวกลางนี้เรียกว่ากลูออน

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งสามารถสังเกตได้ในสองช่วง และถูกส่งผ่านโดยตัวพาแรงที่แตกต่างกันในแต่ละช่วง ในระดับที่น้อยกว่าประมาณ 0.8  fm (โดยประมาณรัศมีของนิวคลีออน) แรงจะถูกส่งผ่านโดยกลูออนและยึดควาร์กเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโปรตอน นิวตรอน และแฮดรอนอื่นๆ ในระดับที่ใหญ่กว่า สูงถึงประมาณ 3 fm แรงจะถูกส่งผ่านโดยเมซอนและยึดนิวคลีออน ( โปรตอนและนิวตรอน ) เข้าด้วยกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของอะตอม^{[ 2 ]}ในบริบทแรก มักเรียกว่าแรงสีและแข็งแกร่งมากจนหากแฮดรอนถูกชนโดยอนุภาคพลังงานสูง พวกมันจะสร้างเจ็ต ของอนุภาคมวลมากแทนที่จะปล่อยส่วนประกอบ ( ควาร์กและกลูออน) ออกมาเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ คุณสมบัติของแรงที่แข็งแกร่งนี้เรียกว่าการ กักขังสี

คำว่า"แรง " ถูกนำมาใช้เนื่องจากแรงปฏิกิริยาแรงเป็นแรงที่ "แรงที่สุด" ในบรรดาแรงพื้นฐานทั้งสี่ ที่ระยะห่าง 10⁻¹⁵ ^เมตร  แรงของมันมีค่าประมาณ 100 เท่าของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 10⁶ ^เท่า  ของแรงอ่อน และประมาณ^10³⁸  เท่าของแรงโน้มถ่วง

แรงที่แข็งแกร่งได้รับการอธิบายโดยควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ในทางคณิตศาสตร์ QCD เป็นทฤษฎีเกจแบบ ไม่เชิงอะเบเลียนโดยอาศัย กลุ่มสมมาตรเฉพาะที่ (เกจ) ที่เรียกว่าSU(3 )

อนุภาคตัวนำแรงของอันตรกิริยาแรงคือกลูออน ซึ่งเป็นโบซอนเกจ ไร้มวล เชื่อกันว่ากลูออนมีปฏิสัมพันธ์กับควาร์กและกลูออนอื่นๆ ผ่านทางประจุชนิดหนึ่งที่เรียกว่าประจุสีประจุสีนั้นคล้ายคลึงกับประจุแม่เหล็กไฟฟ้า แต่มีสามประเภท (±แดง ±เขียว และ ±น้ำเงิน) แทนที่จะเป็นประเภทเดียว ซึ่งส่งผลให้มีกฎการทำงานที่แตกต่างกัน กฎเหล่านี้อธิบายได้ด้วยควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ซึ่งเป็นทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กและกลูออน ต่างจากโฟตอนในแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นกลาง กลูออนมีประจุสี ควาร์กและกลูออนเป็นอนุภาคพื้นฐานเพียงสองชนิดที่มีประจุสีที่ไม่เป็นศูนย์ ดังนั้นจึงมีส่วนร่วมในอันตรกิริยาแรงเฉพาะกับกันและกันเท่านั้น แรงแรงคือการแสดงออกของปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลูออนกับอนุภาคควาร์กและกลูออนอื่นๆ

ควาร์กและกลูออนทั้งหมดใน QCD มีปฏิสัมพันธ์กันผ่านแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม แรงของปฏิสัมพันธ์นี้ถูกกำหนดโดยค่าคงที่การคู่ควบ แบบเข้ม แรงนี้จะถูกปรับเปลี่ยนโดยประจุสีเกจของอนุภาค ซึ่งเป็นคุณสมบัติ ทางทฤษฎีกลุ่ม

แรงนิวเคลียร์แบบแรงกระทำระหว่างควาร์ก แตกต่างจากแรงอื่นๆ (แม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงโน้มถ่วง) แรงนิวเคลียร์แบบแรงจะไม่ลดความแรงลงเมื่อระยะห่างระหว่างคู่ควาร์กเพิ่มขึ้น หลังจากระยะห่างจำกัด (ประมาณขนาดของแฮดรอน ) แรงนิวเคลียร์แบบแรงจะคงความแรงไว้ประมาณ10,000 N ไม่ว่าระยะห่างระหว่างควาร์กจะไกลแค่ไหนก็ตาม[ ^{7 ] : 164} เมื่อระยะห่างระหว่างควาร์กเพิ่มขึ้น พลังงานที่เพิ่มเข้าไปในคู่จะสร้างคู่ควาร์กที่ตรงกันใหม่ระหว่างสองคู่เดิม ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกควาร์กออกจากกัน คำอธิบายคือปริมาณงานที่ทำต้านแรงของพลังงาน 10,000  นิวตันนั้นเพียงพอที่จะสร้างคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคในระยะทางที่สั้นมาก พลังงานที่เพิ่มเข้าไปในระบบโดยการดึงควาร์กสองตัวออกจากกันจะสร้างคู่ของควาร์กใหม่ที่จะจับคู่กับควาร์กเดิม ในทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกักกันสี (color confinement ) ส่งผลให้สามารถสังเกตเห็นได้เฉพาะแฮดรอนเท่านั้น ไม่ใช่ควาร์กอิสระแต่ละตัว ความล้มเหลวของการทดลองทั้งหมดที่ค้นหาควาร์กอิสระถือเป็นหลักฐานของปรากฏการณ์นี้

อนุภาคควาร์กและกลูออนพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการชนกันของพลังงานสูงนั้นไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง ปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวสร้างเจ็ตของแฮดรอนที่สร้างขึ้นใหม่ซึ่งสามารถสังเกตได้ แฮดรอนเหล่านั้นถูกสร้างขึ้น ซึ่งเป็นการแสดงออกของความสมดุลระหว่างมวลและพลังงาน เมื่อมีพลังงานเพียงพอสะสมอยู่ในพันธะควาร์ก-ควาร์ก เช่น เมื่อควาร์กในโปรตอนตัวหนึ่งถูกชนโดยควาร์กที่เคลื่อนที่เร็วมากของโปรตอนอีกตัวหนึ่งที่ชนกันในระหว่าง การทดลอง เครื่องเร่งอนุภาคอย่างไรก็ตามพลาสมาควาร์ก-กลูออนได้รับการสังเกตแล้ว^{[ 8 ]}

ในขณะที่การกักเก็บสีบ่งชี้ว่าแรงนิวเคลียร์แบบแรงกระทำโดยไม่ลดทอนระยะทางระหว่างคู่ของควาร์กในกลุ่มควาร์กที่ผูกพันกันอย่างหนาแน่น (แฮดรอน) แต่ที่ระยะทางใกล้เคียงหรือมากกว่ารัศมีของโปรตอน แรงตกค้าง (อธิบายด้านล่าง) ยังคงอยู่ มันปรากฏออกมาเป็นแรงระหว่างแฮดรอนที่ "ไร้สี" และรู้จักกันในชื่อแรงนิวเคลียร์หรือแรงนิวเคลียร์แบบแรงตกค้าง (และในอดีตเรียกว่าแรงนิวเคลียร์แบบแรง )

แรงนิวเคลียร์กระทำระหว่างแฮดรอน ซึ่งรู้จักกันในชื่อเมซอนและแบริออนแรงนิวเคลียร์ตกค้างนี้กระทำโดยอ้อม ส่งผ่านกลูออนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเมซอนπและρ เสมือนซึ่งในทางกลับกันจะส่งผ่านแรงระหว่างนิวคลีออนที่ยึดนิวเคลียส (นอกเหนือจาก นิวเคลียส ไฮโดรเจน-1 ) ไว้ด้วยกัน^{[ 9 ]}

แรงนิวเคลียร์ที่เหลืออยู่จึงเป็นแรงนิวเคลียร์ที่เหลืออยู่เล็กน้อยจากแรงนิวเคลียร์ที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน แรงเดียวกันนี้จะอ่อนลงมากระหว่างนิวตรอนและโปรตอน เนื่องจากส่วนใหญ่ถูกทำให้เป็นกลางภายในพวกมัน ในทำนองเดียวกับที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอะตอมที่เป็นกลาง ( แรงแวนเดอร์วาลส์ ) อ่อนกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส ทำให้เกิดอะตอม^{[ 7 ]}

ต่างจากแรงนิวเคลียร์แบบแรง แรงนิวเคลียร์แบบแรงตกค้างจะลดลงตามระยะทาง และลดลงอย่างรวดเร็ว การลดลงนั้นโดยประมาณจะเป็นเลขชี้กำลังลบของระยะทาง แม้ว่าจะไม่มีสูตรอย่างง่ายที่ทราบกันสำหรับเรื่องนี้ก็ตาม (ดูที่ศักยภาพของยูกาวะ ) การลดลงอย่างรวดเร็วของแรงดึงดูดแบบตกค้างตามระยะทาง และการลดลงที่ช้ากว่าของแรงผลักทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำระหว่างโปรตอนภายในนิวเคลียส ทำให้เกิดความไม่เสถียรของนิวเคลียสอะตอมขนาดใหญ่ เช่น อะตอมทั้งหมดที่มีเลขอะตอมมากกว่า 82 (ธาตุตะกั่ว)

แม้ว่าแรงนิวเคลียร์จะอ่อนกว่าแรงอันตรกิริยาแบบแรง แต่ก็ยังมีพลังงานสูงมาก กล่าวคือ การเปลี่ยนสถานะต่างๆ ก่อให้เกิดรังสีแกมมา มวลของนิวเคลียสแตกต่างจากผลรวมของมวลของนิวคลีออนแต่ละตัวอย่างมากความแตกต่างของมวล นี้ เกิดจากพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์ ความแตกต่างระหว่างมวลที่ขาดหายไปนี้เป็นพลังงานขับเคลื่อนปฏิกิริยาฟิวชันและ ฟิสชัน ของ นิวเคลียร์

ทฤษฎีเอกภาพยิ่งใหญ่ (Grand Unified Theories หรือ GUT) ที่เรียกว่านี้มีเป้าหมายเพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งและปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าอ่อนว่าเป็นแง่มุมของแรงเดียว คล้ายกับวิธีที่ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกรวมเข้าด้วยกันโดยแบบจำลอง Glashow–Weinberg–Salam เป็นปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าอ่อน ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งมีคุณสมบัติที่เรียกว่าอิสรภาพเชิงอะซิมโทติกซึ่งความแข็งแกร่งของแรงที่แข็งแกร่งจะลดลงที่พลังงาน (หรืออุณหภูมิ) ที่สูงขึ้น^{[ 10 ] : 98} พลังงานตามทฤษฎีที่ความแข็งแกร่งของมันเท่ากับปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าอ่อนคือพลังงานเอกภาพยิ่งใหญ่อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีทฤษฎีเอกภาพยิ่งใหญ่ใดที่ได้รับการกำหนดสูตรสำเร็จเพื่ออธิบายกระบวนการนี้ และเอกภาพยิ่งใหญ่ยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขในฟิสิกส์

• การกำหนดสูตรทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัม
• การกำหนดสูตรทางคณิตศาสตร์ของแบบจำลองมาตรฐาน
• พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียร์
• เรื่องของ QCD
• ทฤษฎีสนามควอนตัม
• ปฏิสัมพันธ์ของยูคาวะ

• Christman, JR (2001). "MISN-0-280: ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง " (PDF )
• Ding, Minghui; Roberts, Craig; Schmidt, Sebastian, eds. (2024). ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงในแบบจำลองมาตรฐาน: โบซอนไร้มวลถึงดาวฤกษ์ขนาดกะทัดรัดMDPI . ISBN 978-3-7258-1502-9.{{cite book}}: |journal=ละเลย ( ช่วยเหลือ )
• Halzen, F. ; Martin, AD (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-88741-6.
• Kane, GL (1987). ฟิสิกส์อนุภาคพื้นฐานสมัยใหม่ . สำนักพิมพ์ Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
• มอร์ริส, อาร์. (2003). พ่อมดคนสุดท้าย: เส้นทางจากวิชาเล่นแร่แปรธาตุสู่ตารางธาตุ . สำนักพิมพ์โจเซฟ เฮนรี. ISBN 978-0-309-50593-2.

Wikiquote มีคำคมที่เกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง