בניסוי האחרון שבוצע במעבדות פרמי שבארה”ב פיזיקאים הראו שהאנטי קווראקים המדומים המרחפים בפרוטון הם יותר מסוג “מטה” מאשר “מעלה”. הממצא החדש סותר את תוצאות המחקר שנערך באותה מעבדה בשנות ה-90. בשנים האחרונות מתווספות עדויות רבות לשבירת הסימטריה בין החומר לאנטי חומר וכעת נשאלת השאלה מהו המודל שיעשה סדר?
אילוסטרציה של הפרוטון מבפנים
סימטריה בטבע נתפסת בעיניי רבים כאידאל היופי, אך מעבר לאלגנטיות ולסדר שהיא מבטאת, היא משמשת כאחת מאבני היסוד בפיזיקה העיונית. היא עד כדי כך משמעותית שניתן להסיק את חוקי טבע ולנבא תופעות חדשות רק בהינתן הסימטריות המתגלות. בגלל חשיבותה, פיזיקאים מופתעים לגלות תהליכים בהם המשוואות מצביעות על סימטריה ברורה, אך הטבע “מחליט” לפעול באופן השובר אותה.
להפתעתם של החלקיקאים, במאמר האחרון שפורסם במגזין היוקרתי Nature, הפרוטון, חלקיק הטעון חשמלית חיובית המרכיב את גרעין האטום, הראה א-סימטריה שכזו. חוקרים מהמכון הלאומי בארגון שבארה”ב עקבו אחר הסימנים המצביעים על א-סימטריה מפתיעה בעזרת ניסוי שבוצע במאיצים בפרמילב. תוצאות הניסוי אף סותרות את אלו שפורסמו בשנות ה-90 ששללו את הא-סימטריה בפרוטון.
ים הקווארקים המדומים בפרוטון
הפרוטון אינו חלקיק יסודי כשלעצמו, הוא למעשה מורכב מקווארקים. הקווארקים הינם חלקיקים יסודיים (לפחות על פי מה שמדע יודע כיום), כלומר אינם ניתנים לפירוק. פיזיקאים מיינו את הקווארקים לשלושה “דורות” ובכל דור שני “טעמים”. למילה דור או טעם אין משמעות, זו רק שיטה לקטלג את הקווארקים לפי מסה ומטען חשמלי. הפרוטון למשל מורכב משני קווארקים מסוג “מעלה” וקווארק אחד מסוג “מטה”. שוב, לשמות אין כלל משמעות. מלבד הקווארקים, בתוך הפרוטון מרחפים גלואונים ה”מדביקים” את שלושת הקווארקים כדי ליצור את החלקיק. אבל זהו לא סוף הסיפור, בקוונטים אסור לשכוח את הוואקום, מרכיב יסודי שממלא את כל החלל. וואקום שממלא את החלל נשמע כמו משפט הסותר את עצמו, אך על פי תורת הקוונטים הוואקום הוא בסך הכל שם נרדף לתנודות רנדומליות של שדות החלקיקים. פיינמן תיאר את התנודות בתור חלקיקים הצצים משום מקום (חלקיקים מדומים) ונעלמים במיידית. בתוך הפרוטון למשל, גלואונים יכולים לצוץ, להתפרק לקווארק ואנטי קווארק ולהתאיין (כלומר לבוא במגע אחד עם השני ולהמיר את החומר לאנרגיה טהורה – לגלואון בחזרה).
בנקודה זו, הסימטריה משחקת תפקיד מהותי. על פי המודל הסטנדרטי, חוקי הטבע סימטריים בין חומר והאנטי חומר (חלקיקים בעלי מסה זהה אך בעלי מטען הפוך), כלומר המשוואות שברשותנו מרמזות שהחומר והאנטי חומר מצייתים לאותם חוקים. מסימטריה זו נובעת שכל חלקיק מדומה שצץ מהוואקום חייב להיות מלווה במקבילו האנטי חלקיקי ושההסתברות להופעת הטעמים השונים במרק הקווארקי חייבת להיות זהה. ובכל זאת, על פי תוצאות המחקר האחרון נראה שבים הגלואונים והקווארקים המדומים בתוך הפרוטון מרחפים יותר אנטי קווארקים מסוג מעלה מאשר מסוג מטה, ללא תלות בתנע.
מפגש בין חלקיקים מדומים
בשנות ה-70 הפיזיקאי התאורטיקן סידני דריל וטאן-מו יאן הציעו שיטה למדוד את הדינאמיקה המתחוללת בתוך הפרוטון. בניסוי שהציעו פרוטונים משוגרים אל עבר מטרה, כלומר אל עבר חומר מיסוד מסוים. בעת המפגש, הקווארקים המדומים מהפרוטון ומהמטרה מתערבבים, מתאיינים ויוצרים פוטונים (חלקיקי אור). הפוטונים האנרגטיים מתפרקים ויוצרים מיואונים ואלקטרונים בהתאם למסת הקווארקים שהתאיינו בראשית התהליך. מתוך היחס בין המיואונים והאלקטרונים שנוצרו בתהליך ניתן למדוד את הסתברות היווצרות הטעמים השונים במרק המדומה בתוך הפרוטון.
“עדיין אין בידנו הסבר מלא לדינאמיקה הקווארקית המתחוללת בתוך הפרוטון. כהשלכה לכך, אין בידנו הסבר מספק כיצד הפרוטון רוכש את תכונותיו”, מסביר פאול רימר, חוקר ממכון אורגון. “טבעו החמקמק של הקווארק והאנטי-קווארק מקשים על מחקר מעמיק, אך בזכות הניסוי האחרון חזינו בא-סימטריה בפעם הראשונה”. “אנחנו מסוגלים להבחין בדינאמיקה העדינה בתוך הפרוטון”, הוסיף דון גיסמן, אחד מכותבי המאמר. “בעזרת הניסוי האחרון, הטבע מוביל אותנו לתקן את המוכר והידוע”.
רימר מוסיף כי “בחרנו למדוד את המיואונים משום שהם מסוגלים לחדור דרך חומרים בקלות רבה יותר מאשר רסיסי ההתנגשות האחרים”. בין המטרה לגלאי הוסיפו החוקרים חמישה מטרים חומת ברזל כדי להאט את המיואונים בדרך.
תוצאות המחקר המפתיעות מעמידות בפני הפיזיקאים יותר שאלות מתשובות. אלו נערמות לצד ניסויים נוספים שנערכו בשנים האחרונות המצביעים על א-סימטריה בין החומר לאנטי חומר. חקר המבנה של הפרוטון מסייע לחוקרים לאסוף רמזים על השאלות הבוערות ביותר בפיזיקה, אבל עד שאלו יקבלו מענה, מסתבר שקיים גם תוצרי לוואי משמעותיים – חקר הפרוטון סייע בפיתוח תרפיה נגד סרטן בעזרת קרינת פרוטונים, פענח את עוצמת קרינת הפרוטונים במסעות לחלל ואף סייע בחקר היווצרות כוכבים ביקום המוקדם.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
חוסר הסימטריה בין חומר לאנטי חומר בולט במיוחד מהעובדה שהעולם הנחזה לנו, ולא רק כדור הארץ ומרכיביו, עשוי (כמעט) כולו מחומר ולא אנטי חומר, למרות שהמפץ הגדול אמור לייצר כמויות שוות (בקירוב טוב מאוד) של שני המינים. התאוריה המקובלת גורסת שהחומר שאנו רואים הוא מה שנשאר אחרי התאיינות רוב תוצרי המפץ הגדול, התאיינות שמסבירה (אולי) את התכולה הגדולה של אנרגיה ב”ריק” – או מה שאנו קוראים “אנרגיה שחורה” שפועל ככוח “אנטי-גרוויטציוני” ומנפחת את היקום בקצב הולך וגדל.