בשנות ה-50 וה-60 התגלה לפיזיקאים גן חיות של חלקיקים אלמנטריים שכפופים לכוח הגרעיני החזק. תכונותיהם של חלקיקים אלו היו בגדר תעלומה, עד שזו נפתרה בעבודתם של הפיזיקאים מארי גל-מאן, יובל נאמן וג'ורג' צוייג, שסיווגו את החלקיקים הללו למשפחות, בדומה לטבלה המחזורית של היסודות שחיבר הכימאי מנדלייב כמאה שנים קודם לכן.

במהלך שנות החמישים והשישים של המאה הקודמת עמדו הפיזיקאים בפני מבוכה: מדי מספר חודשים נתגלו במאיצי החלקיקים עוד ועוד חלקיקים אלמנטריים, שקיבלו שמות לא מקוריים במיוחד המבוססים על אותיות יווניות: פאיון, קאון, סיגמא, אומגה, …, עד שנגמרו השמות. לעשרות החלקיקים החדשים הללו היו תכונות שונות ומשונות. בנוסף, התפרקו אלו במהרה לחלקיקים אחרים וכלל לא היה ברור האם קיים סדר בגן-החיות העשיר שהתגלה. האם ייתכן באמת שהעולם מורכב מכל-כך הרבה אבני בניין יסודיות, או שמא חלקיקים אלו מורכבים מתתי חלקיים יסודיים יותר? מהי החוקיות המושלת בעושר שנתגלה בפני הפיזיקאים במעבדה?

התאורטיקנים שפיצחו את התעלומה היו יובל נאמן, מאריי גל-מאן [1] וג'ורג' צווייג, שהבינו שלחלקיקים הרבים שהתגלו היה דבר משותף: הם כולם צייתו לכוח החזק. במובן מסויים, חלקיקים אלו דומים לחלקיקים המוכרים לנו: הפרוטון והנייטרון שמרכיבים את גרעין האטום. באותם השנים כבר ידעו שהפרוטונים והנייטרונים המרכיבים את גרעין האטום מקיימים כוח משיכה ביניהם שעוצמתו גדולה מכוח מהדחיה החשמלית בין הפרוטונים. בשל עוצמתו, כונה כוח זה "הכוח הגרעיני החזק" - או פשוט "הכוח החזק".

החלקיקים החדשים שהתגלו גם הם צייתו לכוח החזק וחלקם היו דומים עד מאוד לפרוטון ולניוטרון, אך היו כבדים מהם. מאחר והם היו כבדים יותר (כלומר בעלי מסה גדולה יותר), הם לא היו יציבים ונטו להתפרק תוך זמן קצר לחלקיקים קלים יותר. כדי לעשות בהם סדר, סיווגו אותם הפיזיקאים לשתי משפחות: באריונים ומזונים. הבאריונים דומים לפרוטונים ולניוטרונים בספין שלהם [2]. המזונים קצת שונים: מצד אחד הם מקיימים פעולת גומלין חזקה, כלומר הכוח החזק פועל עליהם, מצד שני הם דומים בתכונותיהם לפוטון, חלקיק האור, מבחינת הספין שלהם. בפרט, מזון שנקרא 'פאיון נייטרלי' דעך במהרה לשני פוטונים [3].

התגלית החשובה של גל-מאן ונאמן היתה הסיווג של הבאריונים והמזונים למשפחות, בדומה לטבלה המחזורית של מנדלייב בה האטומים מסודרים כך שלכל טור בטבלה תכונות דומות. 

קיומו של חלקיקי האומגה מינוס נחזה בשל שיוכו למשפחה של חלקיקים אחרים

את המזונים ניתן היה לסווג במשפחות של שמונה חלקיקים (ולעיתים חלקיק נלווה נוסף שעמד בצד). לכל משפחה היו מאפיינים דומים. הבאריונים סווגו במשפחות של עשרה חלקיקים, שמונה חלקיקים או חלקיק בודד.

כעת דמיינו לכם שאתם יודעים שבמדינה מסויימת כל המשפחות הן בעלות עשרה בני-משפחה. פתאום מתגלה משפחה חדשה בה רק תשעה בני-משפחה. בעוד יתכן שמדובר באנומליה, סביר יותר להניח שאחד מבני המשפחה מסתתר, וטרם התגלה. זה מה שטענו גל-מאן ונאמן.

גל-מאן ונאמן גילו שבמשפחה מסוימת של באריונים חסר חלקיק שאותו הם כינו "אומגה מינוס". החלקיק לא נתגלה במאיצי החלקיקים, אולם מאחר והם ידעו כיצד נראים תשעת חברי המשפחה האחרים, קל היה לשער כיצד נראה האומגה מינוס (מטר שמונים, בלונדיני, שרירי, עם עיניים כחולות ובעל מסה של 70 ק"ג). גל-מאן ונאמן ידעו המון על החלקיק ההיפותטי החסר: מהו מסתו, כיצד הוא מתפרק לחלקיקים אחרים, מהו המטען החשמלי שלו ועוד תכונה מיוחדת שלו שאותה הם כינו "משונה". האיור המצורף מתאר את הרקע התאורטי לתחזית: לפני שחזו את קיומו של חלקיק האומגה מינוס היה ידוע רק על החלקיקים האחרים שנקראים דלתא סיגמא וקסי, אולם ברור היה שחסר חלקיק בקודקוד התחתון של הדיאגרמה. האומגה מינוס השלים את החתיכה החסרה בפאזל.

בשנת 1964, זמן קצר לאחר חיזויו התאורטי נתגלה חלקיק האומגה מינוס. תכונותיו, שנחזו על-ידי גל-מאן ונאמן אוששו בנסוי. היתה זאת חגיגה לפיזיקה התיאורטית והצלחה גדולה לסיווג על פי משפחות בנות שמונה ועשרה חברים.

מאוחר יותר התברר, בעזרת עבודתם של גל-מאן וצווייג, שמבנה המשפחות נובע מכך שהמזונים והבאריונים מורכבים מתתי-חלקיקים שנקראים קווארקים. המזונים מורכבים מקווארק ואנטי-קווארק ואילו הבאריונים מורכבים משלושה קווארקים. הקוורקים "כלואים" בתוך המזונים והבאריונים [4] וניתן בעזרת תאוריה מתמטית שנקראת תורת החבורות להסביר מדוע קווארקים מתקבצים במשפחות של עשרה או שמונה באריונים.

בגין עבודתו החשובה זכה גל-מאן בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1969 [5].

הפוסט מוקדש לזכרה של גל ארמוני, נובמבר 1995 - פברואר 2021, האחיינית שלי שאהבה לשוחח איתי על חלקיקים ועל מבנה היקום.

מקורות:

[1] מארי גל-מאן

[2] https://lbscience.org/2017/06/27/ספין-של-חלקיקים-קוונטיים/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Omega_baryon

[4] על הכוח החזק

[5] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1969/summary/