קווארקים, בוזונים וגלואונים – המודל הסטנדרטי על קצה המזלג

שומעים על קווארקים, הכוח החזק ומזונים, והולכים קצת לאיבוד? לפניכם סקירה כללית על התיאוריה המקובלת בפיסיקה של חלקיקים

בכל תחום ישנה תיאוריה בסיסית מקובלת. בביולוגיה מולקולרית תמצאו את הדוגמה המרכזית, המסבירה את המעבר מנוקלאוטידים לחלבונים, בכימיה תגלו את הטבלה המחזורית ומכניקת הקוואנטים, ובפיסיקה של חלקיקים אלמנטריים תחשפו למודל הסטנדרטי (standard model).

המודל הסטנדרטי הנו המסגרת התיאורטית, המסבירה את החלקיקים הקיימים ביקום ואת האינטראקציות ביניהם, או בשפה אחרת, את הכוחות הפועלים ביניהם.

חלקיקים

המודל הסטנדרטי כולל מספר מסוים של חלקיקים, ולכל חלקיק הוא מצמיד אנטי חלקיק. כאשר חלקיק פוגש באנטי חלקיק שלו, שניהם עוברים איון (annihilation) וכל מסתם הופכת לאנרגיה. אנטי חלקיקים זהים בכל לחלקיקים, אולם מטעניהם שונים. לדוגמא, האנטי חלקיק של האלקטרון נקרא פוזיטרון (לרוב האנטי חלקיקים פשוט נקראים אנטי-משהו, לדוגמא האנטי חלקיק של פרוטון יקרא אנטי פרוטון). הוא זהה במסתו לאלקטרון, אך מטענו החשמלי חיובי. קיומו של האנטי חומר נחזה תיאורטית בשנת 1928, ובשנת 1932 נתגלה הפוזיטרון בקרניים קוסמיות, וכיום פיסיקאים במעבדות CERN מייצרים אטומי אנטי מימן. רק לידע כללי, אנטי חומר הוא החומר היקר בעולם. גרם אנטי חומר עולה כמה אלפי טריליוני דולרים!

לפי המודל הסטנדרטי ניתן לחלק את החלקיקים למספר קבוצות. החלוקה הראשונה מבחינה בין בוזונים (bosons) ופרמיונים (fermions). הבוזונים הם חלקיקים בעלי ספין שלם (0,1,2…), והפרמיונים הם בעלי ספין של חצי וכפולותיו (1/2,3/2…), כאשר ספין הוא תכונה של חלקיקים אלמנטריים, התנע הזוויתי הפנימי שלהם. הבדל נוסף בין הפרמיונים והבוזונים מתבטא בציותם של הפרמיונים לעיקרון האיסור של פאולי (Pauli's exclusion principle), שקובע ששני חלקיקים בעלי אותן תכונות אינם יכולים להימצא באותו מצב קוואנטי. הבוזונים, לעומתם, אינם כפופים לאיסור זה.

הגיע הזמן להכיר את השחקנים הראשיים. הזכרנו את החלוקה לפרמיונים ובוזונים, וכעת נסביר אילו חלקיקים משתייכים לאיזו קבוצה. הבוזונים הם החלקיקים נושאי הכוחות. קבוצה זו כוללת את החלקיקים הבאים (הטור בצד ימין בתמונה): הפוטון נושא הכוח החשמלי, הגלואונים נושאי הכוח החזק, ה-Z וה-W נושאי הכוח החלש ומספר חלקיקי היגס נוספים (אינם מצויינים בתמונה), שאמורים להסביר מדוע לחלקיקים ישנה מסה. מלבד ההיגס נתגלו כל החלקיקים שצוינו עד עתה בניסוי.

הפרמיונים מתחלקים לשתי קבוצות, קווארקים (quarks) ולפטונים (leptons), כאשר מכל קבוצה יש שישה חלקיקים, המחולקים לשלושה “טעמים” או דורות. כל דור נבדל מקודמו במסה. קבוצת הקווארקים כוללת שישה חלקיקים (החלק השמאלי העליון בתמונה), ששמותיהם (בתרגום לעברית) הם: מעלה, מטה, קסום, מוזר, עליון ותחתון (חוש הומור מעניין יש לפיסיקאים…). לקווארקים מטען חשמלי של 2/3+ או 1/3- ממטען האלקטרון.

אתם בוודאי שואלים את עצמכם כיצד ייתכן חלקיק עם מטען שאינו כפולה שלמה של מטען האלקטרון, הרי תמיד למדנו שהמטען של האלקטרון הוא יחידת המטען היסודית בטבע. ובכן, הקווארקים תמיד נמצאים במבנים, שסכום המטען החשמלי שלהם הוא כפולה שלמה של מטען האלקטרון. השם הכולל לחלקיקים הבנויים מקווארקים הוא הדרונים (hadrons). ההדרונים מתחלקים לבריונים (baryons) ומזונים (mesons), כאשר הבריונים הם חלקיקים המורכבים משלושה קווארקים, בדומה לפרוטונים והנויטרונים, והמזונים הם חלקיקים הבנויים מקווארק ואנטי קווארק. הפרוטון, לדוגמא, בנוי משלושה קווארקים: מעלה, מעלה ומטה. בשנה האחרונה נתגלו חלקיקים אקזוטיים יותר, הבנויים מארבעה וחמישה קווארקים.

קבוצת הלפטונים כוללת גם היא שישה חלקיקים: האלקטרון והנויטרינו שלו, המיואון והנויטרינו שלו והטאו והנויטרינו שלו. הלפטונים אינם מושפעים מהכוח הגרעיני החזק. המיואון והטאו דומים בתכונותיהם ומטענם החשמלי לאלקטרון, אך מסתם גדולה יותר. בעניין מסתם של הנויטרינו, הדעות מעט חלוקות. עד לא מזמן ההערכות היו שהם נטולי מסה. עם זאת, גילויים אחרונים מעידים על כך שיש להם מסה קטנה כלשהי.
כוחות

המודל הסטנדרטי כולל נכון להיום שלושה כוחות יסודיים בטבע, שהם הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. הכוחות במודל הסטנדרטי מתוארים כהחלפה של חלקיקים בוזונים.

הכוח האלקטרומגנטי הוא בוודאי הכוח המוכר ביותר. החלקיק הנושא שלו הוא הפוטון חסר המסה. הטווח שלו אינסופי (זוכרים את חוק קולון? F = kq1q2/r2) והוא נחלש עם ריבוע המרחק בין שני החלקיקים המעורבים.

הכוח הבא הוא הכוח הגרעיני החלש. זהו הכוח שאחראי בין השאר על התפרקויות רדיואקטיביות. החלקיקים הנושאים שלו הם ה-W וה-Z.

הכוח היסודי השלישי הוא הכוח הגרעיני החזק, שידוע בכינוי “כוח הצבע”. המודל שמתאר אותו מצמיד לכל חלקיק שמרגיש את הכוח (מדובר על קווארקים) “צבע” אדום, כחול או ירוק (חשוב להבין שאין לצבע הזה כל קשר עם מושג הצבע המוכר לנו. מדובר במודל שמטרתו הסברת ההתנהגות של החלקיקים). אופן פעולת הכוח מתואר כחילופי חלקיקי גלואונים, כאשר כל קווארק פולט גלואון שנושא צבע ואנטי צבע, ותוך כדי הפליטה של הגלואון משנה הקווארק את צבעו. ככה מתרחשים להם חילופי צבעים באופן תמידי. צבעים זהים דוחים זה את זה, ואילו צבעים שונים מושכים אחד את השני.

תופעה הקשורה בכוח החזק היא הכליאה (confinement), לפיה בטבע לא ניתן לחזות בחלקיקים בעלי מטען צבע, כלומר קווארקים ניתן לגלות רק במבנים “נטולי צבע”. מבנה נטול צבע יכול להיות שלשת קווארקים (אדום + כחול + ירוק = לבן) או קווארק ואנטי קווארק (צבע +אנטי צבע = נטול צבע).

ומה בנוגע לתלות הכוח החזק במרחק, אתם שואלים? ובכן, בניגוד לכוח האלקטרומגנטי, למשל, שעוצמתו קטנה עם הגידול במרחק, עוצמתו של הכוח החזק קטנה, ככל שהחלקיקים המעורבים מתקרבים. תודו, נשמע קצת מוזר. משמעות הדבר היא שכאשר החלקיקים מאוד מאוד קרובים, הכוח ביניהם שואף לאפס, והם מתנהגים כמעט כחלקיקים חופשיים! זהו בעצם החופש האסימפטוטי (asimptotic freedom), שקובע שעוצמת הכוח החזק בין שני חלקיקים, שהמרחק ביניהם שואף לאפס, שואפת גם היא לאפס, והם מתנהגים כחלקיקים חופשיים מהשפעת הכוח.

לסיכום…

המודל הסטנדרטי הוא התיאוריה הנוכחית בתחום החלקיקים האלמנטריים. הוא עבר מבחנים ניסויים רבים והצליח לספק תחזיות טובות ומדויקות. כיום, המודל הסטנדרטי נחשב כמעט שלם מבחינת גילויים ניסויים. החלק החסר בפאזל הוא חלקיק ההיגס בוזון, שאמור להסביר מדוע לחלקיקים ישנה מסה.

שאלה בלתי פתורה נוספת היא חוסר הסימטרייה בין חומר ואנטי חומר. למרות שבאופן עקרוני הם אמורים להתנהג בדיוק אותו הדבר, ובמפץ הגדול היו אמורות להיווצר כמויות שוות משניהם, זה לא קרה, ותצפיות בניסויים חשפו הפרה של הסימטרייה הזאת. ישנה הוכחה די חותכת לחוסר הסימטרייה בין חומר ואנטי חומר, והיא עצם קיומנו. מנחשים איך בדיוק? רמז: תחשבו על תהליך האיון שהוזכר קודם לכן.

למרות ההצלחות הרבות של המודל הסטנדרטי, מתנהלים חיפושים רבים, הן בקרב תיאורטיקנים, והן בקרב נסיינים, אחר פיסיקה “מעבר למודל הסטנדרטי”. מדובר בתיאוריות חדשות, שמעוניינות להחליף או להרחיב את המודל הסטנדרטי. נזכיר כמה שמות בקצרה, שכן כל תיאוריה כזאת יכולה למלא אינספור כתבות. מועמדת אחת היא הסופרסימטרייה (supersymmtery), שחוזה את קיומו של חלקיק סופרסימטרי תואם לכל חלקיק במודל הסטנדרטי. תיאוריה נוספת היא תיאוריית המיתרים (string theory), שגורסת שכל החלקיקים בעולמנו הם רטיטות של מיתרים זעירים.

כדי לבדוק את התיאוריות הללו ואת המודל הסטנדרטי, נערכים ניסויים שונים ברחבי העולם. שניים מהבולטים הם הניסויים שייערכו במאיץ LHC ב-CERN, שפעולתו תחל בשנת 2007. הוא יהיה המאיץ הגדול והחזק בעולם, עם אנרגיות של 14 טא”ו (יותר מכל מאיץ אי פעם). בניסויים ב-LHC יחפשו פיסיקאים היגסים חמקמקים, חלקיקים סופרסימטריים אקזוטיים, ואולי גם חורים שחורים זעירים. מה שבטוח, יהיה מעניין.

המשמעות של כל זה

רבים מהקוראים בוודאי חשים מעט מוזר נוכח התיאוריות המוזרות והשמות המשעשעים. נסו לזכור, כי מטרת התיאוריות היא הסברת התנהגות חלקיקים וחיזויה. במקרה של “כוח הצבע” למשל, המודל מצליח להסביר התנהגות של כוח במושגים פשוטים וברורים כמו צבע. אין ספק שהתיאוריה עצמה עמוקה הרבה יותר, והיא בוודאי כוללת הרבה מתמטיקה וחיזויים מדוייקים, אך יש יופי רב בהסברת התנהגות של כוח באופן כה ציורי ופשוט. כמו שאתם רואים, פעמים רבות המציאות מוזרה יותר מכל דימיון.

קחו את כל הנאמר בכתבה בספק ותחקרו את הנושא מעט בעצמכם, אם אתם מעוניינים. מצורפים קישורים נחמדים. זהו רק קצה הקרחון של תחום מעניין ומסקרן, שממשיך להתפתח. המטרה של הכתבה הייתה מתן הסבר קצר וכללי על המתרחש בתחום הפיסיקה של החלקיקים האלמנטריים וגירוי העניין של הקוראים .
שאלות והפניות לאתרים ותשובות ניתן להפנות לאימייל שלי [email protected]

פרס נובל צבעוני בפיסיקה

מהן אבני היסוד ה קטנות ביותר בטבע? כיצד החלקיקים הללו בונים את כל החומר סביבנו? אילו כוחות פועלים בטבע, ומהו אופן פעולתם?

פרס הנובל בפיסיקה לשנת 2004 עוסק בשאלות היסודיות הללו, בבעיות שהטרידו את מוחם של הפיסיקאים במהלך המאה העשרים ועדיין ממשיכות לאתגר תיאורטיקנים ונסיינים כאחד.

דייויד גרוס (Gross), דייויד פוליצר (Politzer) ופרנק ווילקזק (Wilczak) הגיעו לתגלית תיאורטית חשובה בנוגע לכוח החזק, הידוע בכינויו “כוח הצבע”. הכוח החזק הוא הכוח שפועל בין הקווארקים בתוך הפרוטונים והנויטרונים ואחראי על גרעין האטום. חתני הפרס גילו עובדה, שבמבט ראשון נראתה מנוגדת לשכל הישר. הפירוש של תוצאות המתמטיקה שעשו אמר, שככל ששני קווארקים קרובים יותר זה לזה, “מטען הצבע” שלהם נחלש. כאשר הקווארקים ממש קרובים זה לזה, הכוח כה חלש, עד שהם מתנהגים כמעט כחלקיקים חופשיים. תופעה זו זכתה לשם “חופש אסימפטוטי”. ההתנהגות הזאת מתהפכת עם התרחקות החלקיקים. הכוח מתחזק עם גדילת המרחקים. התנהגות זו דומה להתנהגותה של גומייה. ככל שהגומייה מתוחה יותר, הכוח גדול יותר.

תגליתם סוכמה בשנת 1973 במסגרת מתמטית אלגנטית, שהובילה ללידתה של תיאוריה חדשה לחלוטין, שנקראת כרומודינמיקה קוואנטית (Quantum Chromo Dynamics) ובקיצור QCD. התיאוריה הזאת היוותה תרומה חשובה למודל הסטנדרטי, התיאוריה המתארת את כל הפיסיקה הקשורה בכוח האלקטרומגנטי (הפועל בין חלקיקים טעונים), הכוח הגרעיני החלש (המשחק תפקיד חשוב בתהליך הפקת האנרגיה של השמש) והכוח הגרעיני החזק (הפועל בין קווארקים). בעזרתה של QCD פיסיקאים יכולים סוף סוף להסביר מדוע קוואקרים מתנהגים כחלקיקים חופשיים באנרגיות גבוהות בלבד. בפרוטונים ובנויטרונים ניתן למצוא את הקווארקים רק בשלישיות.

הודות לתגליתם, דיוויד גרוס, דיוויד פוליצר ופרנק ווילקזק הביאו את הפיסיקה צעד אחד קדימה בדרך להגשמת החלום הגדול של בניית תיאוריה מאוחדת, הכוללת גם את הכבידה – תיאוריה של הכל.

דיוויד גרוס נולד בשנת 1941 (הוא בן 63 כיום) בוושינגטון הבירה בארצות הברית (גרוס הוא אזרח ארצות הברית). את תואר הדוקטור בפיסיקה קיבל בשנת 1966 מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. כיום הוא מכהן כפרופסור במכון קבלי לפיסיקה תיאורטית באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה בארצות הברית.

דיוויד פוליצר אזרח ארצות הברית, קיבל את הדוקטורט בפיסיקה בשנת 1974 מאוניברסיטת הרווארד. כיום הוא מכהן כפרופסור במחלקה לפיסיקה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) בפסדינה, קליפורניה, ארצות הברית.

פרנק וילקזק נולד בשנת 1951 (כיום בן 53) בקווינס, ניו יורק בארצות הברית (אזרח ארצות הברית). קיבל את תואר הדוקטור בפיסיקה בשנת 1974 מאוניברסיטת פרינסטון. כיום מכהן כפרופסור לפיסיקה במחלקה לפיסיקה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בקיימברידג', ארצות הברית.

אתרים מומלצים:

הרפתקאת חלקיקים

הניסוי אטלס

המאיץ בפרמי

המאיץ בסטנפורד

היקום הקוואנטי

תוכנית היקום האלגנטי