מאיץ החלקיקים ב-CERN גילה חלקיק נדיר בעל שני קווארקים כבדים; מדען מאוני’ ת”א חזה את מסתו כמעט במדויק

פרופ’ מרק קרלינר מאוניברסיטת תל אביב חזה לפני שלוש שנים ביחד עם עמית מארה”ב את מסתו של החלקיק כמעט במדויק. “כעת נותר לבדוק את קצב הדעיכה שלו ולהשוות לתחזיות”* החלקיק יאפשר לדעת יותר פרטים על הכוח החזק

מדענים במאיץ ההדרון הגדול ב- CERN זיהו חלקיק מסוג חדש שקיומו נובא באופן תיאורטי אך נצפה לראשונההגילוי יסייע לחוקרים ללמוד יותר על מה שמכונה “הכוח החזק” המחזיק את מרכזי האטומים יחד. הפרטים אודות החלקיק המכונה ++Xi-cc (הסבר מלא על פירט הכינוי בהמשך) הוצגו בכנס של פיזיקת אנרגיה גבוהה בוונציה.

המחקר בוצע בניסוי LHCb בראשות ד”ר פטריק ספרדלין מאוניברסיטת גלזגו. הוא אמר כי התגלית “תשפוך אור על חידה ארוכה ותפתח ענף חדש ומלהיב של מחקר.” עמיתו, פרופסור פול סולר, גם מאוניברסיטת גלזגו, תיאר את ההתפתחות כ”קו גבול חדש בהבנת הכוח החזק “.

כמעט כל החומר שאנו רואים סביבנו מורכב מנויטרונים ופרוטונים, המהווים את מרכזי האטומים. אלה מורכבים משלושה חלקים קטנים יותר הנקראים קווארקים שיכולים להיות קלים או כבדים. ישנם, לעומת זאת, שישה סוגים שונים של קווארקים אשר משולבים בדרכים שונות כדי ליצור סוגים אחרים של חלקיקים. אלה שזוהו עד כה מכילים לכל היותר, קווארק כבד אחד.
צוות המחקר ימדוד כעת את המאפיינים של ++Xi-cc כדי לקבוע כיצד החלקיק הזה מתנהג וכיצד הכוח החזק מחזיק את המערכת יחד. הם גם מצפים למצוא עוד חלקיקי קווארקים כבדים.
מאפיין יוצא דופן נוסף של החלקיק הוא שיש לו מטען חיובי כפול מזה של הפרוטון והוא גם כבד פי ארבעה. החוקרים הגישו מאמר דיווח על ממצאים אלהלכתב העת Physical Review Letters.
פרופ ‘ מרק קרלינר, פרופסור לפיזיקה תיאורטית בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב הוא פיזיקאי תאורטיקן שהתמחה בתחום זה של פיזיקת החלקיקים.

“חלקיקים מהסוג הזה הם בני דודים רחוקים של הפרוטון והניטרון המורכבים משלושה קווארקים ומשתייכים למשפחה שנקראת בריונים baryon. הבריונים מכילים שלושה קווארקים. בטבע ישנם חמישה סוגים של קווארקים שיכולים לייצר בריונים ולכן ישנן המון קומבינציות אפשריות. בתחילת המאה העשרים הצליחו המדענים ‘לראות’ בריונים שמורכבים משלושה קווארקים קלים – הפרוטון והניטרון

“בשנות החמישים והשישים התגלו באריונים שמכילים קווארק נוסף, s quark. פרופ’ יובל נאמן, מייסד החוג לפיזיקה באוניברסיטת תל-אביב, זכה לפרסום עולמי כאשר גילה את הסיווג הנכון של באריונים המורכבים משלושת הקווארקים u,d ו-s, ובעזרת סיווג זה ניבא בהצלחה יתרה את מסתו של הבאריון אומגה-מינוס, בעל ההרכב sss.”

ישנם שני קווארקים קלים ושלושה כבדים, וכל שלישיה שבוחרים מתוך החמישה יכולה להתקיים. ואולם ככל שהחלקיקים כבדים יותר, “קשה יותר לייצר אותם במאיץ כי יצירתם דורשת יותר אנרגיה והם מתפרקים מהר. ראינו עד היום בריונים שכוללים קווראק כבד אחד ושניים קלים יותר והיה ברור שצריכים להיות קיימים בריונים עם שני קווארקים כבדים. על זה היה קונצנזוס מוחלט בין המומחים. האתגר היה לחזות מתוך התיאוריה את התכונות השונות של השלישיה שכוללת שניים כבדים ואחד קל.” מסביר פרופ’ קרלינר

תחזית מדוייקת של מסת החלקיק והסבר לשמו

“התכונה החשובה ביותר של הבריון זו מסתו.” אומר פרופ’ קרלינר. “במאמר שכתבתי בשנת 2014 ביחד עם פרופ’ ג’ונתן רוזנר מאוניברסיטת שיקאגו, שבצעירותו היה חוקר בתר דוקטורט אצל פרופ’ יובל נאמן כאן באוניברסיטת תל אביב. במאמר חישבנו את כל הקומבינציות האפשריות של שני קווארקים כבדים וקווארק אחד קל, בגדול יש שלוש אפשרויות עם תת גוונים. יש שני קווארקים כבדים שבאים בחשבון: c ו-b. קווארק c כבד פי 1.5 מהפרוטון, וה-b כבד בערך פי 5. הצירוף יכול להיות פעמיים c, פעמיים b או bc. החלקיק שבו מדובר מכיל שני חלקיקי c וחלקיק אחד של קווארק קל – u. כלומר -ccu, שם שמסיבות הסטוריות מסמנים באות היוונית קסיי, פעמים האות c כי יש בו שני קווארקי C, ושני פלוסים כי המטען החשמלי שלו הוא פלוס 2 וזו משמעות כינויו ++Xi-cc .

“במאמר חזינו את המסה שלו ועוד תכונות שטרם נמדדו. בתוצאות הנסיוניות שפורסמו היום בכנס גדול של החברה האירופית לפיזיקה המוקדש לחלקיקים אלמנטריים, שחררו המדענים את התוצאה הנסיונית שהם עובדים עליה כמעט שנה בסודיות מוחלטת.. השורה התחתונה היא שהמסה שהם מדדו מאוד קרובה למסה שאנחנו חזינו. המסה שהם מדדו 3621 MEV (פלוס מינוס אחד). לשם השוואה המסה של הפרוטון היא 940 בערך, כלומר מסתו של החלקיק שהתגלה כבדה פי 3.5 מזו הפרוטון. החיזוי שלנו מלפני שלוש שנים הוא 3627 פלוס מינוס 12. השגיאה בתחזית היא פחות מ-2 עשיריות האחוז ממה שהתגלה בפועל. מה שהופך את העניין עוד יותר נחמד – שרבים לפנינו ואחרינו עשו את אותו החישוב ופרסמו את התוצאות שלהם וכולם פספסו בגדול. החיזוי שלנו הכי מדוייק.”

“הדבר הבא שאני מצפה לו הוא ניסוי שימדוד את זמן מחצית החיים של החלקיק, כלומר כמה זמן לוקח לו עד שהוא דועך לחלקיק קל יותר. גם לנתון זה יש תחזית במחקר שלנו, וכשימדדו אותו נדע כמה דייקנו גם בזה.”, מסכם פרופ’ קרלינר.