לאחרונה, עלו באתרי חדשות רבים (למשל, בקישור הבא [1]) מאמרים המספרים על תגלית חדשה ומרגשת במאיץ החלקיקים הגדול שבסרן, שוויץ. הכתבות מדברות על גילוי סוג חדש של חלקיקים הנקראים פנטה-קווארקים, גילוי שגורם להתרגשות רבה בעולם המדעי. אז מה הם בעצם פנטה-קווארקים, ולמה התגלית הזו כל כך מרעישה?
כשבוחנים את העולם שלנו בסקלות גודל קטנות מאוד (גודל של אטומים ומטה), מגלים כי הוא מתנהג בצורה מאוד שונה ממה שאנחנו מכירים מחיי היומיום. האטומים שאנו מכירים מורכבים מפרוטונים, נויטרונים, ואלקטרונים. אולם, שלושת חלקיקים אלו הם רק חלק קטן מ"גן חיות" שלם של עשרות (ואולי אף הרבה מעבר לכך) חלקיקים הקיימים ביקום שלנו. בניגוד לפרוטונים, נויטרונים, ואלקטרונים, שהם יציבים ונשארים כמו שהם למשך זמן רב, רוב סוגי החלקיקים בטבע דועכים במהירות לחלקיקים יציבים יותר, וכלל לא מספיקים ליצור מולקולות או אפילו אטומים כבדים. דעיכות אלו רומזות כי בין החלקיקים מתקיימות אינטראקציות שונות מאלו שאנו מכירים מחיי היומיום, המאפשרות להם לדעוך. בפסקאות הבאות, נרחיב מעט על סוגי החלקיקים והכוחות הקיימים בסקלות התת אטומיות.
בשנות השישים, בעקבות ניסויים אטומיים ובניית מאיצי החלקיקים הראשונים, התפתחה בקהילה המדעית הבנה של הכוחות התת אטומיים ושל החלקיקים היסודיים בטבע. הבנה זו אפשרה לייצר מעט סדר בגן החיות של החלקיקים. כיום, אנו מחלקים את החלקיקים היסודיים לשתי קבוצות: חלקיקי חומר (פרמיונים, למשל האלקטרון) וחלקיקים נושאי כוחות (בוזונים, למשל הפוטון, או האור, הנושא את הכוח האלקטרו מגנטי) [2].
בטבע יש ארבעה כוחות יסודיים שידועים לנו: הכוח האלקטרומגנטי (א"מ, עליו כבר דיברנו במקור [3]), הגרוויטציה, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש.
כדי להבין מהם הפנטה-קווארקים, אנו נתמקד בחלקיקי החומר, דהיינו הפרמיונים, ובכוח הגרעיני החזק.
אז מהו הכוח הגרעיני החזק [4]? בדומה לכוח הא"מ, לכוח החזק יש מטען, הנקרא צבע (אין קשר למונח "צבע" המוכר מחיי היומיום). מטען הוא מה שגורם לחלקיקים לבצע אינטראקציה ביניהם: למשוך או לדחות זה את זה. למשל, בחיי היומיום אנו נתקלים במטען החשמלי, שיכול להיות חיובי או שלילי, כך שבין חלקיקים טעונים יש משיכה או דחייה, בהתאם למטענם: חלקיקים בעלי מטען זהה נדחים, וחלקיקים בעלי מטען הפוך נמשכים זה לזה. כאמור, הכוח החזק פועל רק בין חלקיקים בעלי מטען צבע.
בניגוד למטען החשמלי, מטען מסוג צבע יכול לקבל שישה ערכים שונים: כחול, אדום וירוק, אנטי כחול, אנטי אדום ואנטי ירוק.
בניגוד לשאר הכוחות בטבע, הנחלשים כאשר החלקיקים נושאי המטען מתרחקים זה מזה, הכוח הגרעיני החזק דווקא גדל כשהחלקיקים הטעונים מתרחקים זה מזה [5]. לאפקט זה יש השפעה אדירה על התנהגותם של חלקיקים: חלקיקים בעלי מטען מסוג צבע לא יכולים להתקיים לבדם. בשל הכוח החזק, הם תמיד יתקבצו ל"גושים" של חומר בלתי טעון (הם נמשכים לחלקיקים טעונים אחרים, רחוקים ככל שיהיו זה מזה, עד שהם מתחברים זה לזה). מאחר ואפקט זה הוא כל כך דרמטי, אנו מקטלגים את הפרמיונים היסודיים בהתאם להשפעת הכוח החזק עליהם: חלקיקים שאינם משתתפים באינטראקציה החזקה נקראים "לפטונים" (אלו החלקיקים הקלים ביותר, למשל, האלקטרון) בעוד החלקיקים המשתתפים באינטרקאציה החזקה, הנקראים מזונים (לרוב בעלי מסה בינונית) ובאריונים (בעלי מסה גבוהה) בהם אנו נתמקד.
עם גילוי הכח החזק, התפתחה ההבנה כי ג'ונגל החלקיקים שנצפה בניסויים הוא למעשה ברובו הגדול "גושים" המורכבים מחלקיקים קטנים יותר בעלי מטען צבע, הנקראים "קווארקים". בשל הכוח החזק, קווארקים לא נצפים לבדם, אלא רק בגושים בעלי מטען צבע כולל נייטרלי: שילוב של שלושה קווארקים, כחול אדום וירוק (או אנטי כחול, אנטי אדום ואנטי ירוק), או שילוב של שני קווארקים, כחול ואנטי כחול/ ירוק ואנטי ירוק/ אדום ואנטי אדום. ואכן, כל הקווארקים שהכרנו עד היום נצפו בטבע בתור אחת משתי האפשרויות האלו (או סופר-פוזיציה של קבוצות כאלו, אבל זה נושא לפעם אחרת): באריונים הם גושים של שלושה קווארקים בעלי צבע שונה, בעוד מזונים הם שני קווארקים בעלי צבע ואנטי צבע. זו הסיבה לכך שבאריונים הם כבדים יותר ממזונים. פרוטונים ונויטרונים הם באריונים המורכבים משלושה קווארקים. דוגמאות למזונים הם חלקיקים בשם קאונים ופיונים, הנוצרים בקרניים קוסמיות.
אז אחרי ההקדמה הארוכה, נחזור לפנטה-קווארקים. מה הם בעצם הפנטה קווארקים? בניגוד לחומרים שהכרנו עד היום, המורכבים משניים או שלושה קווארקים, פנטה-קווארקים מורכבים מחמישה קווארקים. אין מדובר בהבדל פעוט. קיומם של חלקיקים כאלו הוא דרמטי מאוד, ומעיד על כך שהכוח החזק מתנהג באופן שונה משחשבנו, או לחליפין, מעורב כאן כוח שטרם הכרנו, כפי שנסביר מייד.
פנטה-קווארקים מורכבים כנראה מאחת משתי האפשרויות: "אטום", שהוא בעצם חמישה קוורקים הקשורים זה לזה, או לחליפין, "מולקולה" המורכבת מבאריון (שלושה) ומזון (שניים) מחוברים. שתי האפשרויות הן מרגשות מאוד. במסגרת תיאור הכוח החזק שאנו מכירים, ההסתברות לחיבור של חמישה קווארקים היא כמעט אפס. קווארקים יתחברו בהתאם לכוחות הפועלים ביניהם, ואלו יובילו דווקא ליצירת זוגות או שלשות, ולא לגושים של חמישה קווארקים. לכן, אם מדובר בחמישה קווארקים מחוברים, הרי הכוח החזק מתנהג בצורה שונה משחשבנו. לחלופין, אם מדובר במולקולה של מזון ובאריון מחוברים, זוהי תופעה חדשה: כל אחד משני גושי הקווארקים האלו הוא נייטראלי (מבחינת צבע), והכוחות שאנו מכירים אינם חזקים מספיק בשביל לחבר אותם זה לזה. גם אם לוקחים בחשבון את התרחיש האידיאלי ביותר, הכולל בתוכו כוחות שִיוּריים בין חלקיקים נטולי צבע, חיבור כזה (יציב למחצה) של בריון ומזון אינו אפשרי.
חשוב להדגיש כי קיומם של הפנטה-קווארקים טרם אומת לחלוטין, וכי עדיין קיימת אפשרות כי מדובר בתופעה אחרת. אם אכן יתגלה שפנטה-קווארקים קיימים, המשמעות היא שעלינו לעדכן את הצורה שבה אנחנו מתארים את הכוחות היסודיים בטבע. לעדכון כזה תהיה השפעה אדירה על תחומי מדע רבים. ואין כמעט דבר מרגש יותר עבור מדען, מלגלות כי תופעה שהכיר היא בעצם מעניינת ועמוקה הרבה משחשב....
מקורות
[1]http://bit.ly/1YyBOn1
[2] http://bit.ly/21s8UEl
[3] http://on.fb.me/1OvCbNl
[4] http://bit.ly/1OvCqbb
[5] http://on.fb.me/1YyHFsR