סרן: התגלו ארבעה חלקיקים חדשים – מדוע הפעם הידיעה חשובה?

הארגון האירופאי לחקר הגרעין (סרן) הכריז שהמאיץ ההדרונים הגדול גילה ארבעה חלקיקים חדשים, אבל מה נשתנה? מאז שהמאיץ הופעל לראשונה ב-2009 התגלו 59 חלקיקים חדשים, בין היתר גם בוזון ההיגס המפורסם שהתגלה בשנת 2012. אומנם מרבית החלקיקים החדשים התגלו בהתאם לציפיות, כמה מהם היו מפתיעים במיוחד

credit: Berkley Labs, flickr. עדות לגילוי לקווארק העליון.

המטרה העליונה של המאיץ בסרן היא לחקור את הפיזיקה במרחקים קצרים במיוחד. המאיץ מסוגל לרכז כמות גבוהה של אנרגיה כדי לחקור את המודל הסטנדרטי, המודל שמאגד בתוכו את חוקי הטבע של כלל הכוחות וחלקיקי החומר. אחת מההצלחות המפורסמות של המאיץ הוא כמובן גילוי בוזון ההיגס שמקנה לחלקיקי החומר את מסתם תחת המנגנון של "שבירה ספונטנית של סימטריה". עם כל ההצלחות, עדיין מרחפים סימני שאלה רבים.

אחת מהחידות המפורסמות (גם בקרב המתמטיקאים) היא "חידת הכליאה" הנובעת מהכוח החזק, הכוח המדביק את חלקיקי החומר היוצר את ההדרונים בטבע. כדי להבין את "חידת הכליאה" נסביר תחילה מהם הדרונים וממה הם מורכבים. ההגדה הבסיסית להדרון הוא חלקיק הבנוי מקווארקים. בטבע התגלו שישה קווארקים המאופיינים על בסיס מסתם והמטען החשמלי אותם הם נושאים. לרוב, הקווארקים הכבדים נדירים מאוד ולכן הטבע שופע בעיקר בקווארקים קלים – "מעלה" ו"מטה". אותם קווארקים בונים את חלקיקי הגרעין באטום, כלומר את הפרוטונים והניטרונים, אלו שייכים לתת מחלקה במשפחת ההדרונים הנקראים בשם "באריונים". הבאריון מורכב משלושה קווארקים המודבקים יחדיו בעזרת הכח החזק המתווך על ידי הגלואון (חלקיק נושא כוח בדומה לפוטון). לדוגמא, הפרוטון מורכב משני קווארקים מסוג מעלה וקווארק אחד מסוג מטה. המבנה המורכב של חלקיקי הטבע מוביל את הפיזיקאים לשאול כיצד גלואונים מדביקים קווארקים בעולם תלת מימדי? שאלה זו ידועה בתור "חידת הכליאה" משום שהיא מתייחסת לכליאת הקווארקים בעזרת הגלואונים (או הכוח החזק). אל תבינו לא נכון, מחשב יכול להראות זאת דיי בבירור, אבל אין בידינו את הכלים המתמטיים המוכיחים שכליאה אכן קיימת.

דוגמאות להדרונים מוכרים בטבע. קרדיט: ויקיפדיה

כליאת קווארקים

הכליאה מגיעה למעשה מההתנהגות ההפוכה של הכוח החזק בשונה משאר הכוחות היסודיים בטבע. להבדיל מהכוח האלקטרומגנטי, הכוח החזק מתעצם ככל שהחלקיקים מתרחקים אחד מהשני. כולנו מכירים כוח כזה מחיי היומיום, קפיץ או גומייה היא דוגמא מצוינת לכך. עוצמת הכח שהקפיץ מפעיל גדלה ככל שהקפיץ נמתח או מתכווץ. על אף השוני, אי אפשר להתעלם מהקווים המשיקים בין הכוח החשמלי והכוח החזק. כולנו מכירים שמטענים חשמליים הפוכים נמשכים זה לזה ומטענים זהים דוחים אחד את השני. הדינאמיקה בין המטענים יכולה ליצור איזורים מקומיים חסרי מטען, ממש כמו האטום. בדומה לכוח החשמלי, הכח החזק מושך קווארקים אחד כלפי השני כדי שמטען "הצבע" יתאפס. לצבע אין משמעות פיזיקאלית, אבל יש בו הגיון. כשהקווארקים התגלו, פיזיקאים הבחינו שהם מופיעים בשלשות. באופטיקה, ידוע שהאור הכחול האדום והירוק יוצרים יחדיו מראה של אור לבן. לכאורה השלשה "ביטלה" את צבעו של האור. באנלוגיה לאור, המטען ביחס לכוח החזק הוא "אדום", "כחול" ו"ירוק". כדי לאפס את המטען החזק, הגלואונים נוטים לחבר שלשות של קווארקים. כתוצאה מכך, ההדרון המתקבל הינו בעל מטען "לבן", כלומר חסר מטען ביחס לכוח החזק.

לצד הבאריונים, קיימים ה"מזונים" המורכבים מקווארק ואנטי קווארק. האנטי קווארק בעל מסה דומה למקבילו הקווארק אך בעל מטען החשמלי וחזק הפוכים (לצבע האדום למשל יש מטען אנטי-אדום שביחד משלימים ללבן). לפיכך, גם המזון חסר מטען חזק. אילו יכולנו לשלוף קווארק מתוך ההדרון, האנרגיה המושקעת להסירו הייתה גדולה מספיק כדי לעורר את שדות הקווארקים וליצור קווארק ואנטי קווארק מהוואקום. הקווארק שנוצר מתהליך הקריעה היה מתאחד עם ההדרון והאנטי קווארק היה מתאחד עם הקווארק שנשלף כדי ליצור מזון.

הדרונים נדירים. מימין: מזונים ובאריונים (הדרונים סטנדרטיים), טטראקווארקים ופנטאקווארקים (הדרונים נדירים). קרדיט: ויקיפדיה

חלקיקים "קסומים" חדשים

כשהקווארקים התגלו לראשונה, פיזיקאים הבינו שקיימים מספר בודד של שילובים אפשריים בטבע – מזונים (קווארק ואנטי קווארק), באריונים (שלושה קווארקים), אנטי באריונים (שלשה של אנטי קווארקים), טטראקווארק (שני קווארקים ושני אנטי קווארקים) ופנטאקוורק (רביעיית קווארקים ואנטי קווארק אחד). הקורא המעמיק בטח שם לב שהכלל לשילוב פיזיקלי הוא שמספר הקווארקים פחות מספר האנטי קווארקים חייב להיות כפולה של שלוש (או פשוט אפס). פיזיקאים התייחסו למרביתם כשילובים תיאורטיים, ובפועל ההדרונים שנממדו במאיצים היו באריונים ומזונים בלבד.

רק לאחרונה ב-2003 התגלו ביפן חלקיקים שאינם מזונים או באריונים. החוקרים היפנים סיכמו את תוצאות המחקר בטענה שהחלקיקים שהתגלו הינם טטראקווארקים. התגלית המשמעותית הנוספת הגיעה ב-2015 כאשר המאיץ בסרן הכריז על גילוי שני פנטאקווארקים. כעת, ארבעת החלקיקים שהתגלו לאחרונה הם טטראקווארקים המורכבים בין היתר מזוג קווארקים "קסומים".

אם סוכמים את מספר החלקיקים שהתגלו בסרן מגיעים ל-59 חלקיקים. אלו כוללים בין היתר גם את הטטראקווארקים החדשים, אבל כמובן גם מזונים ובאריונים שהתגלו בזכות מאיץ ההדרונים. הדרונים הם חלקיקים מרתקים למחקר משום שהם חושפים כיצד הטבע קושר קווארקים. סקירת ההדרונים שנוצרים במאיץ יכולה לספר לפיזיקאים אילו הדרונים הטבע פחות "מעדיף", כלומר אילו הדרונים לא נוצרים בקלות ומדוע. שאלה נוספת שעולה לרוב היא מדוע כמעט בכל הטטראקווארקים יש קווארק קסום אחד לפחות? לכך טרם נמצא הסבר משביע רצון. החוקרים בסרן גם סקרנים להבין האם ההדרונים הכבדים והנדירים יותר קשורים כמקשה אחת כמו באריונים ומזונים או האם הקשר בין הקווארקים רופף, בדומה למולקולות בטבע.

שאלות אלו ונוספות מסייעות למדענים ברחבי העולם להבין את טבעו של הכוח החזק ובכך להשלים את הפאזל אל עבר "התורה של הכל", כזו שתוכל בעתיד לתאר את כל הכוחות בטבע בכל סקאלת אנרגיה.

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

7 תגובות

  1. התשובה לחידה היא הברירה הטבעית שהיא חוק שכולל בתוכו גם את האדם ולכן האדם לא יוכל להבין זאת לעולם משל לעגבניה שמנסה להבין שהיא עגבניה ומה זה אומר, הרי שהיא לעולם לא תצליח.

  2. איש חפשי – ממש לא. רוב ההתקדמות של פיזיקת החלקיקים היתה במחצית השניה של המאה העשרים (לאחר שאיינשטיין ובור כבר הלכו לעולמם), ולמאיצי החלקיקים שנבנו אז היה חלק גדול בהתקדמות הזו.

  3. מכיוון שהתאוריה השלטת לא נכונה. בדומה למבנה היקום של תלמי. המדענים הפכו לקרדינלים. ומסרבים להודות במה שברור לעין ״כי ברור שאתה טועה גם אם אינני יודע מה הטעות שלך״.

  4. תודה על הכתבה, אחלה הסבר. מזכיר את הספר השני של בעיית שלושת הגופים, מי שלא קרא, זה הזמן.

  5. לא יהיה סוף לגילוי החלקיקים. ככל שתפציצו באנרגיות גבוהות יותר חלקיקים שגיליתם פעם, כך הם יתבקעו לחלקיקים נוספים. התהליך הוא אינפיטיסימלי. הסיבה היא שחומר הוא דבר שאנו תופסים בחושים שלנו ובמכשירי המדידה שלנו שהם הזרוע הארוכה של החושים שלנו כי בסוף הכל מיתרגם לנתון שאחד מהחושים שלנו קולט ונותן לו משמעות ובמקרה הזה קורא לו חלקיקים או חומר והוא נראה לנו מוחשי ובצדק מבחינתינו. אבל החומר הוא בעצם אנרגיה בצפיפויות שונות ותו לא.

  6. פול גז בניוטרל זה מה שהם עושים שם. שורפים מיליארדים על רשת פרפרים קוסמית בגודל אפס.
    הפיזיקה לא התקדמה כלל במאה השנים האחרונות. כל המאיצים הללו לא קידמו את התורה. אנחנו פחות או יותר באותו מקום מאז איינשטיין ובור. צריך לזרוק את המאיצים הללו ולהתחיל לחשוב מה לעשות, כי המדע לא הולך לשום מקום.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן