אושר קיומו של חלקיק קווארק חדש

מזה עשורים שפיזיקאים תרים לשווא אחר מצבים כרוכים המכילים יותר משלושה קווארקים. ניסויים מראים עתה כי אכן, למעשה, חלקיקים מורכבים מעין אלו מתקיימים בטבע.

מזה עשורים שפיזיקאים תרים לשווא אחר מצבים כרוכים המכילים יותר משלושה קווארקים. ניסויים מראים עתה כי אכן, למעשה, חלקיקים מורכבים מעין אלו מתקיימים בטבע. המדידות אימתו את התוצאות הראשוניות שהתקבלו עוד בשנת 2011 בנוגע לקיומו של חלקיק אקזוטי בשם דיבאריון המורכב משישה קווארקים.

ניסויים שנערכו במאיץ החלקיקים במכון המחקר הגרמני Jülich הראו כי מצבים כרוכים המכילים יותר משלושה קווארקים אכן מתקיימים בטבע. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Physical Review Letters. המדידות מאמתות את התוצאות שהתקבלו עוד בשנת 2011, אז גילו יותר מ-120 מדענים משמונה מדינות שונות, לראשונה אי-פעם, סימנים אמינים לקיומו של חלקיק אקזוטי בשם דיבאריון (ויקיפדיה) המורכב משישה קווארקים.

במשך תקופה ארוכה, פיזיקאים הצליחו לאמת באופן אמין את קיומן של שתי קבוצות הדרונים בלבד: מזונים בלתי-יציבים המורכבים מקווארק אחד ומאנטי-קווארק אחד ובאריונים המורכבים משלושה קווארקים. פרוטונים וניטרונים, המרכיבים את הגרעין האטומי, הם דוגמאות לבאריונים. אולם, בשנים האחרונות החלו להצטבר עדויות הולכות וגדלות לקיומם של סוגי הדרונים נוספים, למשל – בני-כלאיים (hybrids), כדורי גלאונים (glueballs, ויקיפדיה) ורב-קווארקים (multiquarks). בשנת 1964 הפיזיקאי Freeman Dyson היה הראשון לחזות את קיומם של מצבים מורכבים כגון אלו. אולם, כל אימות אמין של מצבים אלו הוכח כבלתי-אפשרי במשך שנים רבות מאחר ולא ניתן היה לחזור על אף אחת מהמדידות.

רק לאחרונה, הצליחו קבוצות מחקר אחרות – ללא קשר אחת לשנייה – למצוא סימנים מובהקים לקיומם של חלקיקים קצרי-חיים המורכבים מארבעה קווארקים, מה שכונה “טטרא-קווארקים” ( tetraquarks, ויקיפדיה). “האותות שאיתרנו מאשרים כי קווארקים אכן מתקיימים באוספים של שש יחידות. תגלית זו תוכל לסלול את הדרך לתופעה פיזיקאלית חדשה,” אומר דובר הקבוצה פרופסור Heinz Clement מאוניברסיטת טיבינגן.

המבנה שהתגלה לראשונה בשנת 2011 הוא קצר-חיים מאוד וניתן לאתר אותו רק באמצעות תוצרי הפירוק שלו. מצב הביניים הזמני – מה שמכונה “מצב התהודה” – מתקיים למשך 10-23 השנייה בלבד לפני התפרקותו. משך הזמן הזה כה קצר, עד כי, לדוגמה, הוא מספיק למעבר של קרן אור דרך מרחק השווה לקוטר של גרעיני אטומים זעירים. עדיין לא ברור אם כל ששת הקווארקים מרכיבים ישות קומפקטית אחת או שהם מהווים בעצם “מולקולה הדרונית”. מולקולה כזו תהיה מורכבת ממספר אבני בניין גרעיניים – למשל, פרוטונים וניטרונים מעוררים הקשורים אחד לשני – המחוברים באופן הרבה יותר חזק מאשר בהיותם בתוך גרעין האטום.

“המדידות שערכנו במאיץ החלקיקים בשנת 2011 היו כבר אז מדויקות מאוד. אולם, לאור העובדה כי לא ניתן היה לחזור על הניסויים שלנו בשום מאיץ חלקיקים אחר בעולם, היינו צריכים להגות ניסוי אחר שיאשש את התוצאות שלנו,” מסביר פרופסור Hans Ströher, המנהל של המכון לפיזיקה גרעינית במכון המחקר Jülich.

על מנת לקבל עדות חד-משמעית נוספת באשר למצב התהודה החדש, החוקרים סרקו את טווח האנרגיות הרלוונטיות בניסוי של פיזור אלסטי. הם הפציצו מטרת פרוטון בעזרת אלומה מקוטבת של גרעיני מימן כבדים המכונים דויטרונים. בעקבות ההתנגשות נוצר המצב החדש. “הממצאים שלנו הם חלק מתמונה גדולה יותר – אם חלקיק זה קיים, אזי ניתן לחזות את קיומה התיאורטי של קשת מלאה של מצבים אקזוטיים אחרים,” אומר אחד המנהלים במכון.
הידיעה על המחקר