תגלית שופכת אור חדש על המתרחש בתוך גרעין האטום ובכוכבי נויטרונים

חוקרי אוניברסיטת תל אביב גילו כי מהירות תנועתם של הפרוטונים בגרעין גבוהה משסברו עד כה; לתגלית יש משמעות רבה, בין היתר לחקר כוכבי הנויטרונים, הנחשבים לכוכבים הצפופים ביותר ביקום; המחקר התפרסם אמש (יום ב’) בכתב העת Nature

“החומר בעולמנו, החל בגוף שלנו וכלה בכוכבי השמים, בנוי מאטומים; וכל אטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונויטרונים (המכונים יחדיו נוקלאונים), ומאלקטרונים החגים סביבו,” אומר פרופ’ אלי פיסצקי מבית הספר לפיסיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, שהוביל את המחקר. “לכן כל תגלית הנוגעת לגרעין האטום היא משמעותית, בדרך זו או אחרת, להבנת היקום כולו.”

התגלית הנוכחית, המתייחסת למהירות התנועה של חלקיקים בתוך גרעין האטום, מהווה תרומה חשובה, בין היתר, לחקר כוכבי הנויטרונים – הכוכבים הצפופים ביותר ביקום, אשר ככל הנראה קשורים לייצור היסודות הכבדים בעולמנו. המחקר בוצע על ידי החוקרת מיטל דואר ממעבדתו של פרופ’ פיסצקי, בהשתתפות חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת ODU בווירג’יניה, ארה”ב.

כדי לבחון מה מתרחש בתוך גרעין האטום נעזרים המדענים במאיצי חלקיקים. המאיץ מייצר אלומת חלקיקים באנרגיה גבוהה, ו’מפציץ’ באמצעותה את הגרעין עד שהוא מתפרק. תוצרי ההתפרקות נמדדים באמצעות גלאים רגישים ביותר, והממצאים מאפשרים לחוקרים לשחזר את האירוע, ולהסיק מסקנות לגבי מבנה הגרעין ומה שקורה בתוכו. המחקר הנוכחי בוצע במעבדת מאיץ האלקטרונים ג’פרסון שבווירג’יניה, ארה”ב.

“ידוע שהפרוטונים והנויטרונים (נוקלאונים) נעים בתוך הגרעין,” מסביר פרופ’ פיסצקי. “על פי רוב כל נוקלאון נע לבדו, אך אנו גילינו במחקרים קודמים שלעתים הם יוצרים זוגות. הזוגות הללו מורכבים כמעט תמיד מפרוטון ונויטרון. עוד מצאנו, שכאשר נוצר זוג, כול נוקלאון בזוג נע במהירות גבוהה בהרבה ממהירותו של נוקלאון בודד. מהירותו של נוקלאון בזוג כזה מגיעה ליותר ממחצית ממהירות האור.”

במחקר הנוכחי בחרו החוקרים להתבונן בגרעיני אטומים של חומרים כבדים, כמו למשל עופרת. “בגרעינים כבדים, מספר הנויטרונים גבוה משמעותית ממספר הפרוטונים,” אומר פרופ’ פיסצקי. הסיבה: מכיוון שלפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי, הם דוחים זה את זה, וקשה לקשור מספר גדול של פרוטונים יחד לגרעין יציב. לנויטרונים, לעומת זאת, אין מטען חשמלי, וניתן ל”ארוז” מספר גדול יותר בקלות יחסית. לכן בגרעין של אטום עופרת, לדוגמה, יש 126 נויטרונים, ורק 82 פרוטונים.

לכאורה, במצב שבו יש הרבה יותר נויטרונים, יש סיכוי גדול יותר להיווצרות זוגות של נויטרונים. אך החוקרים גילו שלמרות זאת, רוב רובם של הזוגות מורכבים מפרוטון ונויטרון. “זה דומה למסיבה שבה יש פי 1.5 גברים (נויטרונים) ביחס לנשים (פרוטונים),” מסביר פרופ’ פיסצקי. “במצב כזה יש לנשים הרבה יותר סיכוי לרקוד עם בן זוג, או במילים אחרות: בכל רגע נתון, אחוז הפרוטונים המצומדים לזוגות גבוה מאחוז הנויטרונים המצויים בזוגות. ומכיוון שלחלקיקים בזוג יש מהירות גבוהה יותר, שיעור הפרוטונים עם אנרגיה קינטית מוגברת גבוה משיעור הנויטרונים עם אנרגיה קינטית מוגברת. תגלית זו עשויה לגרום לשינוי חשוב במודלים המקובלים של כוכבי נויטרונים: להבנתנו בכל כוכב נויטרונים יש גם אחוז קטן של פרוטונים, ותנועתם בכוכב תושפע מהנויטרונים הקרובים להם, כפי שקורה בגרעינים.”

בנוסף בחנו החוקרים את משמעות התגלית עבור החלקיקים המכונים קווארקים – אבני היסוד שמהן מורכבים הנויטרונים והפרוטונים. תוצאות מחקר זה הנוגע לתנועת הקוורקים בתוך זוגות של נוקלאונים קרובים יפורסמו בקרוב.

“המחקר שלנו הוא מחקר של מדע בסיסי, ללא יישומים מידיים, “מסכם פרופ’ פיסצקי. “אך מכיוון שהיקום כולו מורכב מהחלקיקים שאנו חוקרים, יש לממצאים שלנו משמעות רבה להבנת העולם בו אנו חיים, החל ברמה הבסיסית ביותר.”

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• מאיצי העתיד יהיו זעירים וישתמשו באנטי חומר
• תעלומת הנויטרון
• הפרוטונים הם אליפטיים, לא כדוריים