Se habla de interacciones ó fuerzas, y todas ellas se describen mediante campos. Se puede decir que hay campos “de materia”, cuyas perturbaciones son las partículas, y campos “de mediación” cuyas perturbaciones son los bosones, y que las interacciones no son entre partículas sino entre campos. Lectura para abrir la mente:"La realidad está hecha de campos, no de partículas"
Las interacciones electromagnética, débil y fuerte se describen con campos cuánticos mediadores con bosones Gauge, y la gravitatoria con campo continuo. El bosón de Higgs que aparece en el diagrama se comenta más adelante.

Electromagnética

Está descrita por la Electrodinámica Cuántica (QED), y tiene como partícula portadora el fotón. La interacción electromagnética tiene alcance infinito, e interviene cuando hay carga eléctrica, por lo que afecta a quarks, leptones salvo los neutrinos y a bosones W⁺ y W^-. Su intensidad es mayor que la gravitatoria pero a largas distancias prevalece la gravitatoria ya que los objetos masivos suelen ser neutros y se cancela. Es una interacción que está en origen de la relatividad (invariante Lorentz) y de la físcia cuántica (fotones). Interviene en numerosos procesos: es la base de los enlaces químicos y fuerzas intermoleculares, de la tecnología eléctrica y electrónica, del láser, y en última instancia es responsable de fenómenos como las fuerzas de rozamiento o la fuerza normal. También intervine en la interacción luz-materia, ya que en el átomo se absorbe o emite radiación electromagnética, relacionado con la radiación de cargas aceleradas.

Interacción fuerte

El nombre real es interacción fuerte (la fuerza nuclear fuerte es entre hadrones (por ejemplo entre neutrones y protones en el núcleo), y es un “residuo” de la interacción fuerte entre quarks (análogo a las fuerzas de Van der Waals en moléculas como residuo de la fuerza electromagnética entre átomos)). Está descrita por la Cromodinámica Cuántica (QCD), y tiene como partículas portadoras los gluones. La interacción fuerte tiene un alcance muy limitado, e interviene cuando hay “carga de color”, por lo que afecta a quarks y gluones. Esta fuerza interviene en el interior de los hadrones y en el núcleo atómico:

1. En el rango de 1 fm (tamaño de un nucleón), mantiene unidos los quarks mediante gluones
2. En el rango de 1 a 3 fm, mantiene unidos los protones y neutrones (es la fuerza nuclear fuerte)

Asociadas a la interacción fuerte hay dos características importantes:

1. Libertad asintótica: la interacción es menor cuanto menor es la distancia, tendiendo a cero. Los gluones se representan cualitativamente como un muelle, con el que se puede hacer una analogía muy simple.
2. Confinamiento de color; las partículas con carga de color no se observan aisladas, siempre están confinadas con otras partículas de manera que la combinación sea “blanca”, “carga de color nula”. Al crecer la interacción con la distancia, hay energía suficiente para crear un par quark-antiquark antes de que los quarks estén separados. En una colisión con suficiente energía los quarks se separan y forman “jets” de hadrones blancos, en un proceso que se llama hadronización.

Interacción débil

El nombre real es interacción débil (la fuerza nuclear débil es la asociada a partículas en el núcleo, que están lo suficientemente próximas para que la interacción débil actúe). En lugar de decir que está descrita por QFD (F=Flavour, análogo a QED ó QCD), es más habitual usar la teoría electrodébil. Tiene como partículas portadores 3 bosones, W⁺, W^- y Z⁰. La interacción débil tiene un alcance muy limitado, menor que el de la fuerte, relacionado con el hecho de que los bosones portadores tienen masa, masa que explica el mecanismo de Higgs. Esta interacción interviene cambiando el “sabor” de las partículas; hay 6 “sabores” de leptones y 6 “sabores” de quarks. Interviene en los procesos en los que una partícula decae en otra, como radiactividad (desintegración beta) y desintegración neutrón.
Es la única interacción que afecta a los neutrinos (aparte de la gravitatoria), por lo que los neutrinos son partículas muy difíciles de detectar; interaccionan tan débilmente con la materia que atraviesan fácilmente toda la Tierra.

Gravitatoria

La interacción gravitatoria no está incluida en el Modelo Estándar, aunque hay propuestas de teorías de gravedad cuántica con gravitones.
La interacción gravitatoria tiene alcance infinito, e interviene siempre que hay masa/energía por lo que afecta a todas las partículas, aunque su intensidad es pequeña respecto a otras interacciones. Los procesos en los que interviene de manera relevante es a largas distancias, en planetas, sistemas solares, galaxias.

Comparación cuantitativa entre las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza en función de las energías involucradas

La comparación cuantitiva se puede realizar en cuanto a alcance y a fuerza relativa de las interacciones. El alcance se ha comentado junto con cada interacción: es infinito en gravitatoria y electromagnética, y limitado en fuerte y débil. Para comparar fuerza hay que comparar teniendo en cuenta que la interacción también depende de la distancia, así que se puede comparar para dos partículas a la misma distancia (también se puede usar el concepto de constante de acoplamiento): si separamos dos protones 1 fm, y asignamos valor 1 a la fuerza de la interacción fuerte, las fuerzas relativas son electromagnética 10^-2, débil 10^-12, y gravitatoria 10^-38.

Mecanismo de Higgs y el origen de la masa . El bosón de Higgs.

No interacción fundamental, se habla de mecanismo, y está asociado a un campo escalar que ocupa todo el espacio, en el que existe el bosón de Higgs que es escalar, no es un bosón Gauge. Es un tipo de campo cuántico distinto, con el que interaccionan otros campos y él mismo, y de esa interacción surge la masa (resistencia a cambiar estado de movimiento) de las partículas asociadas a esos campos (fermiones, bosones, incluyendo el propio bosón de Higgs). Sin mecanismo de Higgs las partículas no tendrían masa y se desplazarían a la velocidad de la luz.

El campo típico se anula cuando la energía es cero, y hay que aportar energía para que haya campo, pero en el campo Higgs para energía cero el campo no es nulo, y siempre afecta a los campos/partículas con los que interactúa.
El mecanismo de Higgs da masa a las partículas fundamentales, pero no toda la masa de los hadrones proviene del Higgs: la masa de un nucleón es de unos 939 MeV/c², y la suma si asumimos formado solo por 3 quarks no llega a 10 MeV/c²; la explicación es que un nucleón es más complejo, ⅓ de la masa está asociada a energía cinética y potencial quarks, otro ⅓ a energía cinética y potencial gluones, y ⅛ a la masa de todos los quarks y antiquarks, aparte de otras contribuciones.