Güçlü nükleer kuvvet neden sadece proton ve nötronları bir arada tutar?

Güçlü nükleer kuvvet, protonu oluşturan kuarkları bir arada tutan kuvvettir. Çekirdekteki parçacıklardan proton artı elektrik yüklü, nötronlar ise yüksüzdür. Aynı elektrik yüküne sahip parçacıklar arasında oluşan elektromanyetik itme kuvvetine rağmen -proton ve nötronlar kuarklardan meydana geldiği için- güçlü nükleer kuvvet çekirdeği bir arada tutan kuvvet olarak da tanımlanabilir. Bu kuvvetin taşıyıcıları gluonlardır. Güçlü nükleer kuvvet, iki cisim arasında gidip gelen bir top gibi, enerji ve momentum alışverişi sağlayan parçacıklar sayesinde ortaya çıkar. İsminden anlaşılabileceği gibi güçlü nükleer kuvvet, temel kuvvetler arasında en güçlü olandır. Ancak etkinliği yaklaşık olarak çekirdeğin çapı kadar kısa bir mesafe (10-15 m) ile sınırlıdır. Güçlü nükleer kuvvetin diğer kuvvetlerden önemli bir farkı vardır. Kuarklar birbirlerine yaklaştıkça birbirlerini daha az çekerken birbirlerinden uzaklaştıkça daha çok çeker. Hatta protonun içindeki iki kuark arasındaki mesafe 10-15 m iken aralarındaki çekim kuvveti Dünya üzerindeki 16 tonluk bir küyleye etki eden kütleçekim kuvvetine eşdeğerdir. Bu kuvvet o kadar fazladır ki, kuarkları birbirlerinden ayırmak mümkün değildir. Henüz serbest kuark gözlenememiştir, hatta kuarkların serbest gözlenemeyeceği fizikçiler arasında yaygın bir kanıdır ancak bu kuramsal olarak ispat edilmiş değildir.

Zayıf nükleer kuvvetin şiddeti güçlü nükleer kuvvetin milyarda biridir. Parçacıklar üzerindeki temel etkisi kuark ve leptonların türlerini (çeşni) değiştirmesidir. Kararsız çekirdeklerin bozunmasından, nötrinoların ve diğer lepton türlerinin çekirdek ile etkileşiminden sorumludur. Güçlü nükleer kuvvetten etkilenmeyen nötrinolar zayıf nükleer kuvvetten etkilenir. Bu kuvvet olmasaydı Güneş’in enerjisini sağladığı füzyon (çekirdeklerin birleşme tepkimesi) ve pek çok radyoaktif bozunma tepkimesi gerçekleşmezdi. Zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcıları olan W± ve Z bozonları büyük parçacıklar olduğundan (kütleleri protonun kütlesinden yaklaşık 80-90 kat daha fazladır) etkin oldukları mesafe (yaklaşık 10-18 m) güçlü nükleer kuvvete göre daha kısadır.

Elektromanyetik ve kütleçekim kuvvetlerinin taşıyıcıları kütlesiz kabul edildiklerinden etki mesafeleri sonsuzdur. Zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcıları ise kütleli oldukları için ancak çok kısa mesafelerde etki eder. Diğer yandan güçlü kuvvetin taşıyıcısı olan gluonlar kütlesiz olmalarına rağmen kuarklar gibi ömür boyu 10-15 m içine hapsolmuşlardır. Bu nedenle günlük hayatımızda güçlü ve zayıf nükleer kuvvetin etkilerini doğrudan gözlemleyeme^[1][1]yiz.