Interacción fundamental

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En física , las interacciones fundamentales o fuerzas fundamentales son las interacciones que no parecen reducibles a interacciones más básicas. Se sabe que existen cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza: ^[1]

• gravedad
• electromagnetismo
• interacción débil
• fuerte interacción

Las interacciones gravitacionales y electromagnéticas producen fuerzas de largo alcance cuyos efectos se pueden observar directamente en la vida cotidiana. Las interacciones fuertes y débiles producen fuerzas a escala subatómica y gobiernan las interacciones nucleares dentro de los átomos .

Algunos científicos plantean la hipótesis de que podría existir una quinta fuerza , pero estas hipótesis siguen siendo especulativas.

Cada una de las interacciones fundamentales conocidas puede describirse matemáticamente como un campo . La fuerza gravitacional se atribuye a la curvatura del espacio-tiempo , descrita por la teoría general de la relatividad de Einstein . Las otras tres son campos cuánticos discretos , y sus interacciones están mediadas por partículas elementales descritas por el Modelo Estándar de la física de partículas . ^[2]

Dentro del Modelo Estándar, la interacción fuerte es llevada por una partícula llamada gluón y es responsable de que los quarks se unan para formar hadrones , como protones y neutrones . Como efecto residual, crea la fuerza nuclear que une a estas últimas partículas para formar núcleos atómicos . La interacción débil es llevada por partículas llamadas bosones W y Z , y también actúa sobre el núcleo de los átomos , mediando la desintegración radiactiva . La fuerza electromagnética, llevada por el fotón , crea campos eléctricos y magnéticos , que son responsables de la atracción entre los electrones orbitales y los núcleos atómicos que mantiene unidos a los átomos, así como del enlace químico y las ondas electromagnéticas , incluida la luz visible , y forma la base de la tecnología eléctrica. Aunque la fuerza electromagnética es mucho más fuerte que la gravedad, tiende a cancelarse dentro de los objetos grandes, por lo que en grandes distancias (astronómicas) la gravedad tiende a ser la fuerza dominante, y es responsable de mantener unidas las estructuras a gran escala en el universo, como planetas, estrellas y galaxias.

Muchos físicos teóricos creen que estas fuerzas fundamentales están relacionadas y se unifican en una sola fuerza a energías muy altas en una escala minúscula, la escala de Planck , ^[3] pero los aceleradores de partículas no pueden producir las enormes energías requeridas para probar esto experimentalmente. Idear un marco teórico común que explique la relación entre las fuerzas en una sola teoría es quizás el mayor objetivo de los físicos teóricos de hoy . Las fuerzas débiles y electromagnéticas ya se han unificado con la teoría electrodébil de Sheldon Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg , por la que recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. ^{[4] [5] [6]} Algunos físicos buscan unir los campos electrodébil y fuerte dentro de lo que se llama una Gran Teoría Unificada (GUT). Un desafío aún mayor es encontrar una manera de cuantificar el campo gravitacional, lo que resulta en una teoría de la gravedad cuántica (QG) que uniría la gravedad en un marco teórico común con las otras tres fuerzas. Algunas teorías, en particular la teoría de cuerdas , buscan tanto la QG como la GUT dentro de un mismo marco, unificando las cuatro interacciones fundamentales junto con la generación de masa dentro de una teoría de todo (ToE).

En su teoría de 1687, Isaac Newton postuló el espacio como una estructura física infinita e inalterable que existe antes, dentro y alrededor de todos los objetos mientras que sus estados y relaciones se desarrollan a un ritmo constante en todas partes, es decir, espacio y tiempo absolutos . Al inferir que todos los objetos que tienen masa se aproximan a un ritmo constante, pero chocan por impacto proporcional a sus masas, Newton infirió que la materia exhibe una fuerza atractiva. Su ley de gravitación universal implicaba que había una interacción instantánea entre todos los objetos. ^{[7] [8]} Tal como se interpreta convencionalmente, la teoría del movimiento de Newton modelaba una fuerza central sin un medio de comunicación. ^{[9] [10]} Por lo tanto, la teoría de Newton violó la tradición, que se remonta a Descartes , de que no debería haber acción a distancia . ^[11] Por el contrario, durante la década de 1820, al explicar el magnetismo, Michael Faraday infirió un campo que llenaba el espacio y transmitía esa fuerza. Faraday conjeturó que, en última instancia, todas las fuerzas se unificaban en una. ^[12]

En 1873, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo como efectos de un campo electromagnético cuya tercera consecuencia era la luz, que viajaba a velocidad constante en el vacío. Si su teoría del campo electromagnético fuera válida en todos los marcos de referencia inerciales , esto contradiría la teoría del movimiento de Newton, que se basaba en la relatividad galileana . ^[13] Si, en cambio, su teoría del campo solo se aplicaba a marcos de referencia en reposo en relación con un éter luminífero mecánico —que se supone que llena todo el espacio, ya sea dentro de la materia o en el vacío, y que manifiesta el campo electromagnético—, entonces podría conciliarse con la relatividad galileana y las leyes de Newton. (Sin embargo, ese "éter de Maxwell" fue refutado más tarde; de ​​hecho, las leyes de Newton tuvieron que ser reemplazadas.) ^[14]

El modelo estándar de física de partículas se desarrolló a lo largo de la segunda mitad del siglo XX. En el modelo estándar, las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles se asocian con partículas elementales , cuyos comportamientos se modelan en mecánica cuántica (QM). Para el éxito predictivo con los resultados probabilísticos de la QM , la física de partículas modela convencionalmente los eventos de QM a través de un campo establecido en relatividad especial , en conjunto con la teoría cuántica de campos (QFT) relativista. ^[15] Las partículas de fuerza, llamadas bosones de calibre ( portadores de fuerza o partículas mensajeras de campos subyacentes) interactúan con partículas de materia, llamadas fermiones . La materia cotidiana son átomos, compuestos de tres tipos de fermiones: quarks up y quarks down que constituyen, así como electrones que orbitan, el núcleo del átomo. Los átomos interactúan, forman moléculas y manifiestan otras propiedades a través de interacciones electromagnéticas entre sus electrones que absorben y emiten fotones, el portador de fuerza del campo electromagnético, que si no se les impide atravesar una distancia potencialmente infinita. La QFT del electromagnetismo es electrodinámica cuántica (QED).

Los portadores de fuerza de la interacción débil son los bosones masivos W y Z. La teoría electrodébil (EWT) cubre tanto el electromagnetismo como la interacción débil. A las altas temperaturas poco después del Big Bang , la interacción débil, la interacción electromagnética y el bosón de Higgs fueron originalmente componentes mixtos de un conjunto diferente de campos antiguos anteriores a la ruptura de la simetría. A medida que el universo primitivo se enfrió, estos campos se dividieron en la interacción electromagnética de largo alcance, la interacción débil de corto alcance y el bosón de Higgs. En el mecanismo de Higgs , el campo de Higgs manifiesta bosones de Higgs que interactúan con algunas partículas cuánticas de una manera que dota a esas partículas de masa. La interacción fuerte, cuyo portador de fuerza es el gluón , que recorre una distancia minúscula entre quarks, se modela en cromodinámica cuántica (QCD). EWT, QCD y el mecanismo de Higgs comprenden el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas . Las predicciones se suelen hacer utilizando métodos de aproximación calculada, aunque dicha teoría de perturbaciones es inadecuada para modelar algunas observaciones experimentales (por ejemplo, los estados ligados y los solitones ). Aun así, los físicos aceptan ampliamente el Modelo Estándar como la teoría científica más confirmada experimentalmente.

Más allá del Modelo Estándar , algunos teóricos trabajan para unir las interacciones electrodébiles y fuertes dentro de una Gran Teoría Unificada ^[16] (GUT). Algunos intentos de GUT plantean la hipótesis de partículas "sombra", de modo que cada partícula de materia conocida se asocia con una partícula de fuerza no descubierta , y viceversa, supersimetría total (SUSY). Otros teóricos buscan cuantificar el campo gravitatorio mediante el comportamiento de modelado de su portador de fuerza hipotético, el gravitón , y lograr la gravedad cuántica (QG). Un enfoque para la QG es la gravedad cuántica de bucles (LQG). Aún otros teóricos buscan tanto la QG como la GUT dentro de un marco, reduciendo las cuatro interacciones fundamentales a una Teoría del Todo (ToE). El objetivo más frecuente de una ToE es la teoría de cuerdas , aunque para modelar partículas de materia , agregó SUSY a partículas de fuerza -y así, estrictamente hablando, se convirtió en teoría de supercuerdas . Múltiples teorías de supercuerdas aparentemente dispares se unificaron en una columna vertebral, la teoría M. Las teorías más allá del Modelo Estándar siguen siendo altamente especulativas y carecen de gran respaldo experimental.

En el modelo conceptual de interacciones fundamentales, la materia está formada por fermiones , que poseen propiedades llamadas cargas y espín ± 1 ⁄ 2 ( momento angular intrínseco ± ħ ⁄ 2 , donde ħ es la constante de Planck reducida ). Se atraen o repelen entre sí intercambiando bosones .

La interacción de cualquier par de fermiones en la teoría de perturbaciones se puede modelar de la siguiente manera:

Entran dos fermiones → interacción por intercambio de bosones → salen dos fermiones modificados.

El intercambio de bosones siempre lleva energía y momento entre los fermiones, cambiando así su velocidad y dirección. El intercambio también puede transportar una carga entre los fermiones, cambiando las cargas de los fermiones en el proceso (por ejemplo, convirtiéndolos de un tipo de fermión a otro). Dado que los bosones llevan una unidad de momento angular, la dirección de giro del fermión cambiará de + 1 ⁄ 2 a − 1 ⁄ 2 (o viceversa) durante dicho intercambio (en unidades de la constante de Planck reducida ). Dado que tales interacciones dan como resultado un cambio en el momento, pueden dar lugar a fuerzas newtonianas clásicas . En mecánica cuántica, los físicos a menudo usan los términos "fuerza" e "interacción" indistintamente; por ejemplo, la interacción débil a veces se denomina "fuerza débil".

Según la comprensión actual, existen cuatro interacciones o fuerzas fundamentales: la gravitación , el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte. Su magnitud y comportamiento varían enormemente, como se describe en la tabla siguiente. La física moderna intenta explicar todos los fenómenos físicos observados mediante estas interacciones fundamentales. Además, se considera deseable reducir el número de diferentes tipos de interacción. Dos ejemplos de ello son la unificación de:

• Fuerza eléctrica y magnética en electromagnetismo;
• La interacción electromagnética y la interacción débil en la interacción electrodébil; ver más abajo.

Tanto la magnitud ("fuerza relativa") como el "rango" del potencial asociado, tal como se indican en la tabla, sólo tienen sentido dentro de un marco teórico bastante complejo. La tabla siguiente enumera las propiedades de un esquema conceptual que sigue siendo objeto de investigación en curso.

Interacción	Teoría actual	Mediadores	Fuerza relativa [17]	Comportamiento a larga distancia (potencial)	Alcance (m) [18]
Débil	Teoría electrodébil (EWT)	Bosones W y Z	10 33	${\displaystyle {\frac {1}{r}}\ e^{-m_{\rm {W,Z}}\ r}}$	10 −18
Fuerte	Cromodinámica cuántica (QCD)	gluones	10 38	${\estilo de visualización {\sim r}}$ ( Confinamiento de color , ver discusión a continuación)	10 −15
Gravitación	Relatividad general (RG)	gravitones (hipotéticos)	1	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞
Electromagnético	Electrodinámica cuántica (EDQ)	fotones	10 36	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞

La visión mecánica cuántica moderna (perturbativa) de las fuerzas fundamentales distintas de la gravedad es que las partículas de materia ( fermiones ) no interactúan directamente entre sí, sino que llevan una carga e intercambian partículas virtuales ( bosones de gauge ), que son los portadores de interacción o mediadores de fuerza. Por ejemplo, los fotones median la interacción de cargas eléctricas y los gluones median la interacción de cargas de color . La teoría completa incluye perturbaciones más allá de los fermiones que intercambian bosones; estas perturbaciones adicionales pueden involucrar bosones que intercambian fermiones, así como la creación o destrucción de partículas: consulte los diagramas de Feynman para ver ejemplos.

La gravitación es la más débil de las cuatro interacciones a escala atómica, donde dominan las interacciones electromagnéticas.

La gravitación es la más importante de las cuatro fuerzas fundamentales para los objetos astronómicos a distancias astronómicas por dos razones. En primer lugar, la gravitación tiene un alcance efectivo infinito, como el electromagnetismo, pero a diferencia de las interacciones fuerte y débil. En segundo lugar, la gravedad siempre atrae y nunca repele; en contraste, los cuerpos astronómicos tienden a tener una carga eléctrica neta casi neutra, de modo que la atracción hacia un tipo de carga y la repulsión hacia la carga opuesta se anulan entre sí en su mayoría. ^[19]

Aunque el electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravedad, la atracción electrostática no es relevante para los grandes cuerpos celestes, como los planetas, las estrellas y las galaxias, simplemente porque estos cuerpos contienen cantidades iguales de protones y electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica neta de cero. Nada "anula" la gravedad, ya que solo es atractiva, a diferencia de las fuerzas eléctricas que pueden ser atractivas o repulsivas. Por otro lado, todos los objetos que tienen masa están sujetos a la fuerza gravitatoria, que solo atrae. Por lo tanto, solo la gravitación importa en la estructura a gran escala del universo.

El amplio rango de gravedad hace que sea responsable de fenómenos de gran escala como la estructura de las galaxias y los agujeros negros y, al ser solo atractiva, retarda la expansión del universo . La gravitación también explica fenómenos astronómicos a escalas más modestas, como las órbitas planetarias , así como la experiencia cotidiana: los objetos caen; los objetos pesados ​​actúan como si estuvieran pegados al suelo y los animales solo pueden saltar hasta cierta altura.

La gravitación fue la primera interacción que se describió matemáticamente. En la antigüedad, Aristóteles planteó la hipótesis de que los objetos de diferentes masas caen a diferentes velocidades. Durante la Revolución científica , Galileo Galilei determinó experimentalmente que esta hipótesis era errónea en determinadas circunstancias: si se descuida la fricción debida a la resistencia del aire y las fuerzas de flotabilidad si hay atmósfera (por ejemplo, el caso de un globo lleno de aire que se deja caer frente a un globo lleno de agua), todos los objetos aceleran hacia la Tierra a la misma velocidad. La ley de gravitación universal de Isaac Newton (1687) fue una buena aproximación del comportamiento de la gravitación. La comprensión actual de la gravitación proviene de la teoría general de la relatividad de Einstein de 1915, una descripción más precisa (especialmente para las masas y distancias cosmológicas ) de la gravitación en términos de la geometría del espacio-tiempo .

La fusión de la relatividad general y la mecánica cuántica (o teoría cuántica de campos ) para formar una teoría más general de la gravedad cuántica es un área de investigación activa. Se plantea la hipótesis de que la gravitación está mediada por una partícula sin masa de espín 2 llamada gravitón .

Aunque la relatividad general ha sido confirmada experimentalmente (al menos para campos débiles, es decir, no para agujeros negros) en todas las escalas, salvo en las más pequeñas, existen alternativas a la relatividad general . Estas teorías deben reducirse a la relatividad general en algún límite, y el objetivo del trabajo observacional es establecer límites a las posibles desviaciones de la relatividad general.

Las dimensiones adicionales propuestas podrían explicar por qué la fuerza de gravedad es tan débil. ^[20]

El electromagnetismo y la interacción débil parecen ser muy diferentes a las bajas energías cotidianas. Pueden modelarse utilizando dos teorías diferentes. Sin embargo, por encima de la energía de unificación, del orden de 100 GeV , se fusionarían en una única fuerza electrodébil.

La teoría electrodébil es muy importante para la cosmología moderna , en particular para la evolución del universo . Esto se debe a que poco después del Big Bang, cuando la temperatura todavía estaba por encima de aproximadamente 10 ¹⁵  K , la fuerza electromagnética y la fuerza débil todavía estaban fusionadas como una fuerza electrodébil combinada.

Por sus contribuciones a la unificación de la interacción débil y electromagnética entre partículas elementales , Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. ^{[21] [22]}

El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente . Este fenómeno incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de las fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven unas respecto de otras.

El electromagnetismo tiene un alcance infinito, como la gravedad, pero es mucho más fuerte. Es la fuerza que une los electrones a los átomos y mantiene unidas las moléculas . Es responsable de fenómenos cotidianos como la luz , los imanes , la electricidad y la fricción . El electromagnetismo determina fundamentalmente todas las propiedades macroscópicas y muchas de nivel atómico de los elementos químicos .

En una jarra de agua de cuatro kilogramos (~1 galón), hay

${\displaystyle 4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}}$

de carga total de electrones. Por lo tanto, si colocamos dos jarras de este tipo a un metro de distancia, los electrones de una de las jarras repelen a los de la otra jarra con una fuerza de

${\displaystyle {1 \sobre 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2,1\veces 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4,1\veces 10^{26}\mathrm {N} .}$

Esta fuerza es muchas veces mayor que el peso del planeta Tierra. Los núcleos atómicos de una jarra también repelen a los de la otra con la misma fuerza. Sin embargo, estas fuerzas repulsivas se cancelan por la atracción de los electrones de la jarra A con los núcleos de la jarra B y la atracción de los núcleos de la jarra A con los electrones de la jarra B, lo que da como resultado que no haya fuerza neta. Las fuerzas electromagnéticas son tremendamente más fuertes que la gravedad, pero tienden a cancelarse de modo que, en el caso de los cuerpos de escala astronómica, la gravedad domina.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos se han observado desde la antigüedad, pero no fue hasta el siglo XIX cuando James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de la misma interacción fundamental. En 1864, las ecuaciones de Maxwell habían cuantificado rigurosamente esta interacción unificada. La teoría de Maxwell, reformulada mediante cálculo vectorial , es la teoría clásica del electromagnetismo, adecuada para la mayoría de los propósitos tecnológicos.

La velocidad constante de la luz en el vacío (habitualmente denotada con una letra c minúscula ) se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell, que son consistentes con la teoría de la relatividad especial. Sin embargo, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905 , que se desprende de la observación de que la velocidad de la luz es constante sin importar cuán rápido se mueva el observador, mostró que el resultado teórico implícito en las ecuaciones de Maxwell tiene profundas implicaciones mucho más allá del electromagnetismo sobre la naturaleza misma del tiempo y el espacio.

En otro trabajo que se apartó del electromagnetismo clásico, Einstein también explicó el efecto fotoeléctrico utilizando el descubrimiento de Max Planck de que la luz se transmitía en "cuantos" de contenido de energía específico basado en la frecuencia, que ahora llamamos fotones . A partir de 1927, Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo . Trabajos posteriores en la década de 1940, por Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga , completaron esta teoría, que ahora se llama electrodinámica cuántica , la teoría revisada del electromagnetismo. La electrodinámica cuántica y la mecánica cuántica proporcionan una base teórica para el comportamiento electromagnético como el efecto túnel cuántico , en el que un cierto porcentaje de partículas cargadas eléctricamente se mueven de formas que serían imposibles bajo la teoría electromagnética clásica, que es necesaria para que funcionen los dispositivos electrónicos cotidianos como los transistores .

La interacción débil o fuerza nuclear débil es responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta . Ahora se entiende que el electromagnetismo y la fuerza débil son dos aspectos de una interacción electrodébil unificada : este descubrimiento fue el primer paso hacia la teoría unificada conocida como el Modelo Estándar . En la teoría de la interacción electrodébil, los portadores de la fuerza débil son los bosones de calibre masivos llamados bosones W y Z. La interacción débil es la única interacción conocida que no conserva la paridad ; es asimétrica de izquierda a derecha. La interacción débil incluso viola la simetría CP pero conserva la CPT .

La interacción fuerte , o fuerza nuclear fuerte , es la interacción más complicada, principalmente por la forma en que varía con la distancia. La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre nucleones a distancias de aproximadamente 1 femtómetro (fm, o 10 ⁻¹⁵ metros), pero disminuye rápidamente hasta ser insignificante a distancias superiores a aproximadamente 2,5 fm. A distancias inferiores a 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Este componente repulsivo es responsable del tamaño físico de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza.

Tras el descubrimiento del núcleo en 1908, quedó claro que se necesitaba una nueva fuerza, hoy conocida como fuerza nuclear, para superar la repulsión electrostática , una manifestación del electromagnetismo, de los protones con carga positiva. De lo contrario, el núcleo no podría existir. Además, la fuerza tenía que ser lo suficientemente fuerte como para comprimir los protones en un volumen cuyo diámetro es de unos 10 ⁻¹⁵ m , mucho menor que el del átomo entero. A partir del corto alcance de esta fuerza, Hideki Yukawa predijo que estaba asociada a una partícula de fuerza masiva, cuya masa es de aproximadamente 100 MeV.

El descubrimiento del pión en 1947 marcó el comienzo de la era moderna de la física de partículas. Entre los años 1940 y 1960 se descubrieron cientos de hadrones y se desarrolló una teoría extremadamente complicada de los hadrones como partículas que interactúan fuertemente. Entre ellas, destacan:

• Se entendió que los piones eran oscilaciones de condensados ​​de vacío ;
• Jun John Sakurai propuso que los bosones vectoriales rho y omega son partículas portadoras de fuerza para simetrías aproximadas de isospín e hipercarga ;
• Geoffrey Chew , Edward K. Burdett y Steven Frautschi agruparon los hadrones más pesados ​​en familias que podrían entenderse como excitaciones vibracionales y rotacionales de cuerdas .

Si bien cada uno de estos enfoques ofrecía conocimientos, ninguno conducía directamente a una teoría fundamental.

Murray Gell-Mann junto con George Zweig propusieron por primera vez los quarks con carga fraccionaria en 1961. A lo largo de la década de 1960, diferentes autores consideraron teorías similares a la teoría fundamental moderna de la cromodinámica cuántica (QCD) como modelos simples para las interacciones de los quarks. Los primeros en plantear la hipótesis de los gluones de la QCD fueron Moo-Young Han y Yoichiro Nambu , quienes introdujeron la carga de color del quark . Han y Nambu plantearon la hipótesis de que podría estar asociada con un campo portador de fuerza. En ese momento, sin embargo, era difícil ver cómo un modelo así podría confinar permanentemente a los quarks. Han y Nambu también asignaron a cada color de quark una carga eléctrica entera, de modo que los quarks solo tuvieran carga fraccionaria en promedio, y no esperaban que los quarks en su modelo estuvieran confinados permanentemente.

En 1971, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch propusieron que el campo de calibración de color Han/Nambu era la teoría correcta de las interacciones a corta distancia de los quarks con carga fraccionaria. Un poco más tarde, David Gross , Frank Wilczek y David Politzer descubrieron que esta teoría tenía la propiedad de libertad asintótica , lo que les permitió hacer contacto con la evidencia experimental . Concluyeron que la QCD era la teoría completa de las interacciones fuertes, correcta en todas las escalas de distancia. El descubrimiento de la libertad asintótica llevó a la mayoría de los físicos a aceptar la QCD, ya que quedó claro que incluso las propiedades de larga distancia de las interacciones fuertes podrían ser consistentes con el experimento si los quarks están confinados permanentemente : la fuerza fuerte aumenta indefinidamente con la distancia, atrapando a los quarks dentro de los hadrones.

Suponiendo que los quarks están confinados, Mikhail Shifman , Arkady Vainshtein y Valentine Zakharov pudieron calcular las propiedades de muchos hadrones de baja altitud directamente a partir de la QCD, con solo unos pocos parámetros adicionales para describir el vacío. En 1980, Kenneth G. Wilson publicó cálculos informáticos basados ​​en los primeros principios de la QCD, estableciendo, con un nivel de confianza equivalente a la certeza, que la QCD confinará a los quarks. Desde entonces, la QCD ha sido la teoría establecida de las interacciones fuertes.

La QCD es una teoría de quarks con carga fraccionaria que interactúan mediante ocho partículas bosónicas llamadas gluones. Los gluones también interactúan entre sí, no solo con los quarks, y a grandes distancias las líneas de fuerza coliman formando cuerdas, modeladas vagamente por un potencial lineal, una fuerza de atracción constante. De esta manera, la teoría matemática de la QCD no solo explica cómo interactúan los quarks en distancias cortas, sino también el comportamiento similar al de las cuerdas, descubierto por Chew y Frautschi, que manifiestan en distancias más largas.

Convencionalmente, la interacción del Higgs no se cuenta entre las cuatro fuerzas fundamentales. ^{[23] [24]}

Sin embargo, aunque no es una interacción de calibre ni está generada por ninguna simetría difeomorfista , el acoplamiento cúbico de Yukawa del campo de Higgs produce una quinta interacción débilmente atractiva. Después de la ruptura espontánea de la simetría a través del mecanismo de Higgs , los términos de Yukawa permanecen en la forma

${\displaystyle {\frac {\lambda _ {i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }} {\bar {\psi }}\phi '\psi }$,

con acoplamiento de Yukawa , masa de partícula (en eV ) y valor esperado del vacío de Higgs${\displaystyle \lambda _{i}}$$Estilo de visualización m_{i}}$ 246,22 GeV . Por lo tanto, las partículas acopladas pueden intercambiar un bosón de Higgs virtual , lo que produce potenciales clásicos de la forma

${\displaystyle V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }}$,

con masa de Higgs125,18 GeV . Debido a que la longitud de onda Compton reducida del bosón de Higgs es tan pequeña (1,576 × 10 ⁻¹⁸  m , comparable a los bosones W y Z ), este potencial tiene un alcance efectivo de unos pocos attómetros . Entre dos electrones, comienza aproximadamente 10 ¹¹ veces más débil que la interacción débil y se vuelve exponencialmente más débil a distancias distintas de cero.

Se han realizado numerosos esfuerzos teóricos para sistematizar las cuatro interacciones fundamentales existentes en el modelo de unificación electrodébil.

Las teorías de gran unificación (GUT, por sus siglas en inglés) son propuestas para demostrar que las tres interacciones fundamentales descritas por el modelo estándar son todas manifestaciones diferentes de una única interacción con simetrías que se rompen y crean interacciones separadas por debajo de un nivel de energía extremadamente alto. También se espera que las GUT predigan algunas de las relaciones entre las constantes de la naturaleza que el modelo estándar trata como no relacionadas, así como la unificación del acoplamiento de calibre para las intensidades relativas de las fuerzas electromagnética, débil y fuerte (esto se verificó, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones en 1991 para las teorías supersimétricas ). ^{[ especificar ]}

Las teorías del todo, que integran las GUT con una teoría de la gravedad cuántica, se enfrentan a una barrera mayor, porque ninguna teoría de la gravedad cuántica, que incluye la teoría de cuerdas , la gravedad cuántica de bucles y la teoría de twistores , ha conseguido una amplia aceptación. Algunas teorías buscan un gravitón para completar la lista del Modelo Estándar de partículas portadoras de fuerza, mientras que otras, como la gravedad cuántica de bucles, enfatizan la posibilidad de que el propio tiempo-espacio pueda tener un aspecto cuántico.

Algunas teorías más allá del Modelo Estándar incluyen una quinta fuerza hipotética , y la búsqueda de dicha fuerza es una línea de investigación en física experimental en curso. En las teorías supersimétricas , algunas partículas adquieren sus masas solo a través de efectos de ruptura de la supersimetría y estas partículas, conocidas como módulos , pueden mediar nuevas fuerzas. Otra razón para buscar nuevas fuerzas es el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (también conocida como energía oscura ), lo que da lugar a la necesidad de explicar una constante cosmológica distinta de cero , y posiblemente a otras modificaciones de la relatividad general . También se han sugerido quintas fuerzas para explicar fenómenos como las violaciones de CP , la materia oscura y el flujo oscuro .

• Quintaesencia , una quinta fuerza hipotética
• Gerardus 't Hooft
• Edward Witten
• Howard Georgi

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• Schumm, Bruce A. (2004), Cosas profundas , Johns Hopkins University PressSi bien se discuten todas las interacciones, el debate es especialmente exhaustivo en el caso de las interacciones débiles.
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