Tương tác mạnh

hay lực mạnh là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton, lực đẩy này chính là lực điện từ. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản của tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron. Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson.

Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ". Đó chỉ là những tên mang tính tượng trưng và hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau. Lực hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rất mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể hoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt meson).

Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon. Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng).

Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn. Nếu một quark đỏ bị hút bởi một quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên chuyển sang quark xanh lam và quark thứ hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ). Nếu một quark xanh lơ và một đối xanh lơ quark tương tác với nhau trong một meson, một gluon mang, ví dụ như đối đỏ và xanh lơ sẽ được giải phóng bởi quark xanh lơ và hấp thụ bởi một đối xanh lơ quark, và kết quả, quark xanh lơ chuyển sang màu đỏ và đối xanh lơ đối quark chuyển sang màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0). Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi một gluon mang điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ nguyên điện tích màu xanh lam.

Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm (confinement). Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại lực tương tác mạnh và trỏ thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm cận và có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên.

là một dạng tương tác gần, với bán kính tương tác vào khoảng ≤10-13 cm. Ra ngoài khoảng cách này, tương tác mạnh gần như biến mất.