فعل و انفعال قوی که به عنوان نیروی هسته ای قوی نیز شناخته می شود، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت در کنار گرانش، الکترومغناطیس و نیروی هسته ای ضعیف است. با وجود نیروی دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون های دارای بار مثبت، این نیرو مسئول نگه داشتن پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم است. برهمکنش قوی در فواصل بسیار کوتاه، به ترتیب \(10^{-15}\) متر عمل می کند و قوی ترین از چهار نیروی اساسی است.
در کوچکترین مقیاس ها، برهمکنش قوی بین کوارک ها، بلوک های سازنده پروتون ها و نوترون ها (که در مجموع به عنوان نوکلئون شناخته می شوند) عمل می کند. کوارک ها توسط ذراتی به نام گلوئون که به عنوان واسطه نیروی قوی عمل می کنند، کنار هم نگه داشته می شوند. مکانیسمی که از طریق آن کوارک ها و گلوئون ها برهم کنش می کنند توسط نظریه ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف شده است.
برخلاف الکترومغناطیس که با واسطه فوتون ها انجام می شود و بین ذرات باردار عمل می کند، برهمکنش قوی با تبادل گلوئون ها بین کوارک ها مشخص می شود. گلوئون ها منحصر به فرد هستند زیرا حامل نوعی بار هستند که به عنوان "بار رنگ" شناخته می شود. کوارک ها در سه رنگ قرمز، سبز و آبی هستند و گلوئون ها می توانند ترکیبی از رنگ و ضد رنگ را حمل کنند. این بار رنگی مسئول خواص نیروی قوی است که ثبات هسته اتم را تضمین می کند.
گلوئون ها ذرات بدون جرمی هستند که مانند فوتون ها در الکترومغناطیس، نیروی میان ذرات را واسطه می کنند. با این حال، گلوئون ها خود حامل بار رنگ هستند و بنابراین می توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. این برهمکنش بین گلوئون‌ها منجر به پدیده‌ای به نام محصور شدن می‌شود و تضمین می‌کند که کوارک‌ها هرگز به‌طور مستقل وجود ندارند، بلکه همیشه در گروه‌هایی (مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها) به یکدیگر متصل هستند.
QCD چارچوب نظری است که تعامل قوی را توصیف می کند. این توضیح می دهد که چگونه کوارک ها و گلوئون ها از طریق تبادل بارهای رنگی برهم کنش می کنند. یکی از جذاب ترین جنبه های QCD این است که برخلاف نیروهای گرانشی یا الکترومغناطیسی، نیروی بین کوارک ها با دور شدن از هم کاهش نمی یابد. در عوض، نیرو ثابت می ماند یا حتی با فاصله افزایش می یابد و منجر به محصور شدن کوارک ها در نوکلئون ها می شود.
از نظر ریاضی، انرژی پتانسیل ( \(V\) ) بین دو کوارک با این معادله توصیف می‌شود:
\(V = -\frac{\alpha_{s}}{r} + kr\)که در آن \(r\) جدایی بین کوارک‌ها است، \(\alpha_{s}\) ثابت جفت قوی (که قدرت نیروی قوی را تعیین می‌کند) و \(k\) ثابت کشش رشته مرتبط است. به اموال حبس. عبارت اول نشان دهنده کاهش انرژی پتانسیل در فواصل بسیار کوتاه (مشابه نیروی کولن در الکترومغناطیس) است، در حالی که عبارت دوم نشان دهنده افزایش خطی انرژی پتانسیل با فاصله است که نشان دهنده محدودیت است.
یکی از شواهد تجربی کلیدی برای وجود کوارک‌ها و برهمکنش قوی، از آزمایش‌های پراکندگی غیرکشسانی عمیق به دست آمد. در این آزمایش‌ها، الکترون‌های پرانرژی از روی نوکلئون‌ها پراکنده می‌شوند و الگوهای پراکندگی شواهدی مبنی بر وجود اجزای کوچک‌تر و نقطه‌مانند در نوکلئون‌ها، یعنی کوارک‌ها، ارائه می‌کنند.
مجموعه مهم دیگری از آزمایش‌های مربوط به برهمکنش قوی، آزمایش‌هایی هستند که شامل ایجاد پلاسمای کوارک-گلئون می‌شوند. در برخوردهای با انرژی بسیار بالا، مانند برخوردهایی که در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) انجام می شود، می توان شرایطی را ایجاد کرد که شبیه به آن چیزی است که درست پس از انفجار بزرگ است. تحت این شرایط، کوارک‌ها و گلوئون‌ها آزادند تا فراتر از محدوده نوکلئون‌های منفرد حرکت کنند و یک پلاسمای کوارک-گلئون را تشکیل دهند. این حالت ماده یک آزمایشگاه منحصر به فرد برای مطالعه خواص نیروی قوی در شرایط شدید فراهم می کند.
تعامل قوی برای پایداری ماده در جهان ضروری است. بدون آن، هسته اتم نمی تواند بر دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون ها غلبه کند و اتم ها نمی توانند به شکل فعلی خود وجود داشته باشند. علاوه بر این، نیروی قوی نقش مهمی در فرآیندهایی دارد که ستارگان از جمله خورشید ما را نیرو می دهد. همجوشی هسته ای، فرآیندی که انرژی را در ستارگان آزاد می کند، با برهمکنش قوی غلبه بر دافعه بین هسته ها ممکن می شود.
در حوزه فیزیک ذرات، مطالعه برهمکنش قوی و QCD منجر به کشف طیف غنی از ذرات معروف به هادرون (که شامل پروتون ها، نوترون ها و ذرات عجیب تر می شود) شده است. درک کنش متقابل قوی همچنین کلید کشف اسرار جهان اولیه است، زیرا بر رفتار ماده تحت شرایط شدیدی که مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ وجود داشت، حاکم بود.
در نتیجه، برهمکنش قوی یک نیروی اساسی طبیعت است که نقش مهمی در ساختار و پایداری ماده و همچنین پویایی جهان دارد. از طریق تحقیقات و آزمایش‌های مداوم، دانشمندان به کشف پیچیدگی‌های این نیرو ادامه می‌دهند و بینش‌های عمیق‌تری در مورد ساختار واقعیت ارائه می‌کنند.
