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原子核物理学および素粒子物理学において、強い相互作用（強い力または強い核力とも呼ばれる）は、既知の4つの基本相互作用の1つである。これはクォークを陽子、中性子、その他のハドロン粒子に閉じ込めるだけでなく、中性子と陽子を結合させて原子核を形成する働きも持ち、原子核においては核力と呼ばれる。
陽子や中性子の質量の大部分は強い相互作用エネルギーによるものであり、個々のクォークは陽子の質量の約 1% しか提供しません。10 −15 m (1フェムトメートル、核子の半径よりわずかに大きい) の範囲では、強い力は電磁力の約 100 倍、弱い相互作用の 10 6倍、重力の 10 38倍の強さです。[ 1 ]
原子核の文脈では、この力は陽子と中性子を結合させて原子核を形成し、核力（または残留強い力）と呼ばれます。[ 2 ]このスケールでは、力が質量が大きく寿命の短い中間子によって媒介されるため、残留強い相互作用は、ハドロン内のクォークを結合する場合とは全く異なる、核子間の距離依存的な振る舞いに従います。核融合と核分裂に関して、核力の結合エネルギーにも違いがあります。核融合は、太陽や他の恒星におけるエネルギー生成の大部分を占めています。核分裂は、放射性元素や同位体の崩壊を可能にしますが、多くの場合、弱い相互作用によって媒介されます。人工的には、核力に関連するエネルギーは、ウランまたはプルトニウムをベースとした核分裂兵器と水素爆弾のような核融合兵器の両方で、原子力発電と核兵器で部分的に放出されます。[ 3 ] [ 4 ]
1971年以前、物理学者たちは原子核がどのように結合しているのか確信が持てずにいた。原子核は陽子と中性子から構成され、陽子は正の電荷を持ち、中性子は電気的に中性であることは知られていた。電磁気学の確立された原理に基づけば、正電荷は互いに反発し合い、正電荷を持つ陽子が原子核をバラバラにしてしまうと予想された。しかし、そのような現象は一度も観測されなかった。この現象を説明するには、物理学における新たな発見が必要だった。
陽子同士の電磁反発にもかかわらず原子核が結合している理由を説明するために、より強い引力が仮定された。この仮説上の力は強い力と呼ばれ、原子核を構成する陽子と中性子に作用する基本的な力であると考えられていた。
1964年、マレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクは、陽子と中性子、中間子を含むバリオンが素粒子で構成されていると提唱した。ツヴァイクは素粒子を「エース」と呼び、ゲルマンは「クォーク」と呼んだ。この理論はクォークモデルと呼ばれるようになった。[ 5 ]核子間の強い引力は、クォークを陽子と中性子に結合させるより基本的な力の副産物である。量子色力学の理論では、クォークは色電荷と呼ばれるものを持っているが、可視色とは関係がないと説明されている。[ 6 ]色電荷が異なるクォークは強い相互作用の結果として互いに引き合い、これを媒介する粒子はグルーオンと呼ばれた。
強い相互作用は 2 つの範囲で観測され、それぞれで異なる力の伝達体によって媒介されます。約 0.8 fm (おおよそ核子の半径) より小さいスケールでは、力はグルーオンによって伝達され、クォークを結合させて陽子、中性子、その他のハドロンを形成します。より大きなスケール、約 3 fm まででは、力は中間子によって伝達され、核子 (陽子と中性子) を結合させて原子核を形成します。[ 2 ]前者の文脈では、これはしばしばカラー力として知られており、非常に強いため、ハドロンが高エネルギー粒子に衝突すると、構成要素 (クォークとグルーオン) を自由に動く粒子として放出する代わりに、質量のある粒子のジェットを生成します。この強い力の性質はカラー閉じ込めと呼ばれます。
「強い」という言葉が使われるのは、強い相互作用が4つの基本力の中で「最も強い」力だからです。10⁻¹⁵mの距離では、 その強さは電磁力 の約100倍、弱い力の約10⁶倍、重力の約10³⁸倍になります。
強い力は、素粒子物理学の標準模型の一部である量子色力学（QCD）によって記述されます。数学的には、QCDはSU(3)と呼ばれる局所（ゲージ）対称群に基づく非可換ゲージ理論です。
強い相互作用の力伝達粒子は、質量のないゲージボソンであるグルーオンです。グルーオンは、カラー電荷と呼ばれる電荷を介してクォークや他のグルーオンと相互作用すると考えられています。カラー電荷は電磁電荷に似ていますが、1種類ではなく3種類（±赤、±緑、±青）あるため、異なる振る舞いの規則が生じます。これらの規則は、クォークとグルーオンの相互作用の理論である量子色力学（QCD）によって記述されます。電磁気学における中性の光子とは異なり、グルーオンはカラー電荷を帯びています。クォークとグルーオンは、ゼロでないカラー電荷を帯びる唯一の基本粒子であり、したがって、互いにのみ強い相互作用に関与します。強い力は、グルーオンと他のクォークおよびグルーオン粒子との相互作用の表現です。
QCDにおけるすべてのクォークとグルーオンは、強い力によって相互作用する。相互作用の強さは、強い結合定数によってパラメータ化される。この強さは、粒子のゲージカラー電荷（群論的な性質）によって変化する。
強い力はクォーク間に作用する。他のすべての力（電磁力、弱い力、重力）とは異なり、強い力はクォーク対間の距離が増加するにつれて弱まることはない。ある限界距離（ハドロンの大きさ程度）に達すると、その強さは約 100 のままとなる。10 000 N 、クォーク間の距離がどれだけ遠くても。[ 7 ]： 164 クォーク間の距離が大きくなるにつれて、ペアに加えられるエネルギーによって、元の 2 つのクォークの間に新しい一致するクォークのペアが生成されます。したがって、クォークを分離することは不可能です。説明は、力に逆らって行われる仕事の量が、10,000 Nのエネルギー があれば、ごく短い距離内で粒子と反粒子のペアを生成するのに十分である。2つのクォークを引き離すことで系に加えられるエネルギーは、元のクォークとペアになる新しいクォークのペアを生成する。QCDでは、この現象はカラー閉じ込めと呼ばれ、その結果、個々の自由クォークではなく、ハドロンのみが観測される。自由クォークを探索したすべての実験が失敗に終わったことは、この現象の証拠と考えられている。
高エネルギー衝突に関与する素粒子であるクォークとグルーオンは直接観測できない。この相互作用によって新たに生成されたハドロンのジェットが生成され、これが観測可能である。これらのハドロンは、質量とエネルギーの等価性の現れとして、粒子加速器実験中に、ある陽子のクォークが別の陽子の非常に速いクォークに衝突したときのように、クォーク-クォーク結合に十分なエネルギーが投入されたときに生成される。しかし、クォーク-グルーオンプラズマは観測されている。[ 8 ]
色の閉じ込めは、強い力が、束縛されたクォーク（ハドロン）のコンパクトな集合体内のクォーク対間で距離の減少なしに作用することを意味するが、陽子の半径に近づくかそれ以上の距離では、残留力（後述）が残る。これは「無色」のハドロン間の力として現れ、核力または残留強い力（歴史的には強い核力）として知られている。
核力は、メソンやバリオンとして知られるハドロン間に作用する。この「残留強い力」は間接的に作用し、仮想π中間子とρ 中間子の一部を形成するグルーオンを伝達し、それが今度は（水素1原子核を超えて）原子核を結合させている核子間の力を伝達する。[ 9 ]
残留強い力は、クォークを結合させて陽子と中性子を形成する強い力のわずかな残留物である。この同じ力は、中性子と陽子の間でははるかに弱く、それは、中性原子間の電磁力（ファンデルワールス力）が、電子を原子核に結合させて原子を形成する電磁力よりもはるかに弱いのと同様である。[ 7 ]
強い力とは異なり、残留強い力は距離とともに減少し、その減少速度は速い。減少速度は距離の負の指数関数に近似するが、これを表す単純な式は知られていない（湯川ポテンシャルを参照）。原子核内の陽子間に働く引力的な残留力が距離とともに急速に減少し、反発的な電磁力が距離とともにそれほど急速に減少しないことが、原子番号が82（元素の鉛）より大きいすべての原子核など、より大きな原子核の不安定性の原因となっている。
核力は強い相互作用そのものよりは弱いものの、依然として非常に高いエネルギーを持ち、遷移によってガンマ線が発生します。原子核の質量は、個々の核子の質量の合計とは大きく異なります。この質量欠損は、核力に伴う位置エネルギーに起因します。この質量欠損の差が、核融合と核分裂のエネルギー源となります。
いわゆる大統一理論（GUT）は、電磁相互作用と弱い相互作用がグラショウ・ワインバーグ・サラム模型によって電弱相互作用に統一されたのと同様に、強い相互作用と電弱相互作用を単一の力の側面として記述することを目指している。強い相互作用には漸近的自由と呼ばれる性質があり、強い力の強さは高エネルギー（または高温）で減少する。[ 10 ]： 98その強さが電弱相互作用と等しくなる理論上のエネルギーは、大統一エネルギーである。しかし、この過程を記述する大統一理論はまだうまく定式化されておらず、大統一は物理学における未解決問題のままである。
愚かな物理学者たちは、もはや素晴らしいギリシャ語を思いつくことができず、この種の偏光を「色」という不運な名前で呼んでいるが、これは通常の意味での色とは何の関係もない。
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