Você já se perguntou por que é que os prótons que estão dentro do núcleo de um átomo ficam lá juntinhos, mesmo sendo todos eles positivos? A força eletromagnética não deveria "desmontar" o núcleo, mandando um próton para cada lado?

Pelo mesmo motivo, um próton, que é formado por dois quarks u (carga=+2/3) e um quark d (carga=-1/3) não deveria ser instável se somente a força eletromagnética estivesse atuando sobre eles?

Mas sabemos que o próton é estável (até hoje, nunca se viu um próton decair, desintegrar-se ou desmanchar-se de alguma forma).

E embora alguns núcleos sejam instáveis, a maioria deles contém vários prótons e neutrons e é estável. Por exemplo, o núcleo de um átomo de ferro contém 26 prótons! E ele é absolutamente estável!

Além disso, embora saibamos que os prótons sejam formados por 3 quarks, nunca se conseguiu separar esses 3 quarks. As experiências realizadas nos aceleradores de partículas tentaram de toda forma bombardear prótons para obter os quarks que o formavam, e tudo o que obtiveram foram outras partículas, que por sua vez também eram formadas por quarks.

E ainda por cima, nessas experiências obteve-se uma nova informação, ainda mais desconcertante: dentro dos prótons (ou dos neutrons), os quarks comportam-se como se estivessem absolutamente livres!

Aqui entra a grande descoberta dos três ganhadores do prêmio Nobel de Física de 2004: a liberdade assintótica é a explicação deste mistério.

A força que une os quarks dentro de um próton, de um neutron, ou de qualquer barion ou meson é chamada força forte, também chamada de interação forte.

Sua característica básica é que ela é fraca, praticamente nula quando as partículas sobre as quais atua estão próximas, e cresce à medida que elas se afastam.

É como se esses quarks estivessem ligados por um elástico. Se eles têm alta velocidade (grande energia) e estão se afastando, o elástico vai se distendendo, e à medida que isso acontece, uma força maior vai puxando os quarks de volta. A partir de um certo ponto, eles não conseguem prosseguir. Quando retornam, aproximando-se, o elástico relaxa, e é como se os quarks estivessem soltos. Mas como eles têm um grande momento (=quantidade de movimento), ou seja, grande velocidade, eles se aproximam e imediatamente começam a se afastar novamente. Daí a força forte volta a atuar, como um elástico, e fica mais forte à medida que os quarks se afastam um do outro.

A esse fato damos o nome de liberdade assintótica. Os quarks estão livres da atuação de forças enquanto estão dentro das partículas de que fazem parte (bárions, mésons e suas anti-partículas). Mas por outro lado, eles não conseguem sair de dentro destas partículas, a não ser que recebam uma quantidade de energia muito grande (mas daí, algo especial acontece; veja mais adiante); a esse fato, damos o nome de confinamento. Cada um dos quarks que existem (up, down, strange, etc.) pode ter qualquer uma das 3 cores. E os antiquarks podem ter qualquer uma das 3 anticores. Mas como já foi dito, os quaks existem somente dentro de bárions (partículas com 3 quarks), anti-bárions (3 antiquarks) ou de mésons (formados por um quark e um antiquark). A teoria das interações fortes chama-se Cromodinâmica Quântica.

A eletrodinâmica quântica (QED), nome "oficial" do eletromagnetismo, descreve a força eletromagnética como uma interação entre duas partículas carregadas que ocorre através da troca de um foton.

No caso da Cromodinâmica Quântica (QCD = Quantum Chromodynamics) também há uma partícula trocada durante a interação, que é o gluon. A palavra gluon deriva de glue, que em inglês significa cola. Assim como o fóton, o gluon não possui massa. Há porém, várias diferenças entre essas interações.

No caso do eletromagnetismo, existe um tipo de carga, e o seu oposto, que convencionamos chamar respectivamente de carga positiva e carga negativa. Como você sabe, uma carga positiva e outra negativa juntas se anulam.

Na QCD temos três tipos diferentes de cargas, e cada uma delas tem o seu oposto, que a anula. Convencionamos que os nomes dessas cargas são vermelho, azul e verde. Poderiam ser quaisquer outras cores, sabores ou cheiros. Os seus opostos são, respectivamente, o anti-vermelho, o anti-azul e o anti-verde. As partículas possuem uma cor, e as anti-partículas possuem uma anti-cor.

Essas três cargas têm ainda a propriedade de se anularem se forem colocadas juntas. Dizemos que as três cores juntas formam uma partícula branca, isso é, sem carga de cor (numa analogia com a ótica, onde o branco é a soma de todas as cores; de fato não é uma analogia muito boa, porque o fato da carga ser nula, implica em ausência de carga, que corresponderia à cor preta). As três anti-cores juntas, também resultam em branco, ou seja carga de cor nula.

Uma outra diferença entre as forças eletromagnética e forte, é que embora seja ferquente encontrarmos na natureza partículas eletricamente carregadas (como o próton e o elétron, por exemplo) não encontramos partículas com cor livres nem na natureza, nem nas experiências em aceleradores.

A conclusão que se tira é que os quarks que constituem as partículas compostas possuem cores que se anulam. Portanto, um méson precisa ter um quark de uma cor, por exemplo, o vermelho, e um anti-quark da anti-cor correspondente, nesse exemplo, anti-vermelho, para que a carga de cor total dele seja nula.

Os bárions têm 3 quarks, um de cada cor, o que resulta em cor total nula. E pelo mesmo motivo, os anti-bárions possuem 3 anti-quarks, um com cada anti-cor possível, e cor total nula.

Outra diferença extremamente importante para o comportamento das forças eletromagnética e forte é o fato de que o fóton, que transporta a força eletromagnética não possui carga elétrica, mas o gluon, que transporta a força forte, possui carga de cor. Na verdade, o gluon tem uma carga de cor e uma de anti-cor, diferentes, de forma que elas não se anulem. Assim, podemos ter por exemplo, um gluon verde-antivermelho. Por esse motivo a força forte é tão mais complexa que a força eletromagnética.

Os leptons (elétrons, muons, taons e neutrinos) não possuem cor, e portanto não sentem a força forte, da mesma maneira que uma partícula eletricamente neutra (como o neutron ou o neutrino) não sente a força eletromagnética.

Há várias publicações dirigidas ao público leigo sobre esse assunto, porém, na maior parte, em inglês.

1) "QCD Made Simple", Physics Today August 2000, p. 22.
2) "Joining up the dots with the strong force", CERN Courier June 2004, p. 23, F. Wilczek and C. Davies.
3) "The W and Z at LEP", CERN Courier May 2004, p. 21, C. Sutton and P. Zerwas.
4) "Lattice Quantum Chromodynamics Comes of Age", Physics Today February 2004, p. 45, C. De Tar and S. Gottlieb.
5) "In search of the ultimate building blocks", Cambridge University Press 1997, G. 't Hooft.


Aqui estão os artigos originais devido aos quais os autores receberam o prêmio Nobel 2004.

1) D. J. Gross and F. Wilczek, ”Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories”, Phys. Rev. Letters 30 1343 (1973)
2) H. D. Politzer, ”Reliable Perturbative Results for Strong Interactions”, Phys. Rev. Letters 30 1346 (1973).
3) D. J. Gross and F. Wilczek, “Asymptotically Free Gauge Theories. I”, Phys. Rev. D8 3633 (1973).
4) H. D. Politzer, “Asymptotic Freedom: An Approach to Strong Interactions”, Phys. Rep. 14 129 (1974).