גם קסום וגם אקזוטי!
22/08/2021
לאחרונה רעשו עמודי החדשות של המדע עם ההכרזה על גילויו של חלקיק הטטראקוורק האקזוטי במעבדת סרן שבז׳נבה [1]. עצם הגילוי איננו מפתיע, אבל זה לא גרע מההתרגשות שמגיעה עם כל תוצאה מקדמת מדע, שמגיעה ממאיץ החלקיקים LHC.
הארי ליפקין, אחד הפרופסורים המיתולוגיים שלי, לימד אותי פיזיקת חלקיקים במכון ויצמן. הוא התמחה, יחד עם מארק קרלינר מאוניברסיטת תל אביב, בחישובים שניבאו חלקיקים חדשים, כמו הטטראקוורק הקסום שהתגלה זה עתה. קרלינר המשיך את דרכו של ליפקין (שנפטר ב-2015), ובשנת 2017 ניבא, יחד עם יונתן רוזנר מאוניברסיטת שיקגו, את קיומו של הטטראקוורק, בדיוק במסה שבה התגלה כעת [2].
אז מהו טטראקוורק ולמה הוא קסום?
באמצע המאה ה-20 החלו להתגלות חלקיקים יסודיים חדשות לבקרים. הבעיה היתה למצוא מודל, שמסביר את גן החיות של החלקיקים ועושה בו סדר.
ב-1961 הציעו מאריי גל-מאן ויובל נאמן שיטה למיון החלקיקים החדשים, שגל-מאן כינה, בהשראת הבודהיזם, ״שיטת השמונה״ - The Eightfold Way. באמצעות שיטה זו ניבאו גל-מאן ונאמן חלקיק חדש, אומגה מינוס, שאכן התגלה בהמשך. שנתיים לאחר מכן הציעו גל-מאן וג'ורג' צווייג הצעה מהפכנית, לפיה ניתן לפשט את גן החיות של עשרות החלקיקים (שמוינו בשיטת השמונה) אם נניח שהם מורכבים ממעט אבני בניין בשם קוורקים [3] (שהם חלקיקים יסודיים). לפי המודל הזה, הפרוטון והניוטרון מורכבים משלושה קוורקים.
את השם "קוורק" טבע גל-מאן מציטוט סָתוּם לחלוטין מספרו של ג׳יימס ג׳ויס, "טקס האשכבה של פיניגן": Three Quarks for Muster Mark. הקוורקים נושאים מטען חשמלי של מינוס 1/3 (קווארק "למטה") או פלוס 2/3 (קווארק "למעלה") ממטען האלקטרון, ואנטי קווארקים נושאים מטען הפוך, כך שההדרונים, שהם חלקיקים שמורכבים מקוורקים (כמו למשל פרוטון ונייטרון) נושאים מטען שלם.
לדוגמה: פרוטון מורכב משני קווארקי למעלה וקווארק למטה, ולכן טעון במטען חשמלי אחד שלם, וניוטרון מורכב משני קווארקי למטה וקווארק למעלה אחד, ולכן הוא ניטרלי.
אבל הכוח החשמלי אינו יכול להסביר את חוזק הכוח בין הקוורקים ואת יציבות הפרוטון. התגובה ש"מחברת" בין הקווארקים נקראת "התגובה הגרעינית החזקה", והיא פועלת בין מטענים מסוג חדש, שמכונים ״צבע״. ישנם שלושה צבעים, לעומת סוג אחד בלבד של מטען חשמלי. ההדרונים נייטרליים לצבע ("צבע לבן") - אבל הקוורקים, שמרכיבים אותם הם בעלי מטעני צבע שמסתכמים ל״לבן", ולכן נקראים ״אדום״,״ירוק״ ו״כחול״. בנוסף לקווארקים "למעלה" ו"למטה", ישנם ארבעה סוגי קווארקים נוספים הזהים להם, פרט למסה שלהם, הגבוהה בהרבה. הם התגלו מאוחר יותר במהלך המאה העשרים. הקווארקים הכבדים אינם יציבים והם דועכים לקווארקים הקלים.
סוג אחר של חלקיקים, בשם מזונים, מורכב מצמדי קווארק ואנטי קווארק, וגם הם בצבע ״לבן״, כלומר ניטרליים. אם הקוורק נושא למשל צבע ״אדום״, האנטי-קוורק יישא את הצבע ״אנטי-אדום״. כמו מזוני פיי, המורכבים מזוגות קוורק ואנטי-קוורק.
הכוח החשמלי הוא החלפת פוטונים בין חלקיקים שנושאים מטען חשמלי, תוך שימור המטען שלהם. באופן דומה, הכוח החזק הוא מעבר גלואונים בין הקוורקים, באופן שמשמר את סימטריית הצבע. גם הגלואונים נושאים מטען צבע, מה שמשנה לחלוטין את אופייה של תגובת הצבע: בעוד הצימוד החשמלי בין שני אלקטרונים קטן כשהם מתרחקים זה מזה, כאשר מרחיקים קוורקים זה מזה, עוצמת התגובה ביניהם דווקא גדלה והכוח ביניהם נשאר קבוע ולא נחלש, כך שאי אפשר להפריד קוורק מחברו. תופעה זו נקראת כליאה (Confinement), וזו הסיבה שלא נצפים קוורקים חופשיים בטבע [4]. כל הקוורקים שבהם צפינו (למשל בהתנגשויות במאיץ הפרוטונים, ה-LHC בג׳נבה) הם תמיד בצימוד לאחרים במבנה של הדרונים.
במאמר המקורי של גל-מאן, הדרישה היחידה מההדרונים הייתה שצבעם יהיה לבן, ולכן לא הייתה מניעה עקרונית לקיומם של הדרונים עם יותר משלושה קוורקים, כל עוד צבעם של הקוורקים מסתכם בלבן. אלא שרק בסוף העשור הראשון של שנות ה-2000 החלו להתגלות רמזים ברורים לקיומם של הדרונים אקזוטיים, המורכבים מארבעה או חמישה קוורקים (טטראקוורקים או פאנטקוורקים).
הדמיה אמנותית של החלקיק החדש (Image taken from LHC website)
מאיץ ה-LHC מארח ארבעה גלאים: השניים המפורסמים, ATLAS ו- CMS גילו את בוזון ההיגס, ללא ספק תגלית המאה עד כה; יש את Alice; ולבסוף גלאי ה-LHCb, או כפי שהוא מכונה גלאי היופי - Beauty Detector, שנבנה באופן שונה לגמרי מחבריו כדי לחקור "קוורקים כבדים", ובפרט את קוורק ה-Bottom (שמכונה גם Beauty) ואת חברו המעט קל יותר, הקוורק הקסום (Charm Quark). הוא תוכנן ונבנה לשם חיפוש, גילוי ומדידה של הדרונים שמורכבים מהקוורקים הכבדים ותוצרי התפרקותם.
בוזון ההיגס התגלה ב-2012, ומאז עברה התהילה מהגלאים הגדולים ל-LHCb. ב-2014, LHCb אישר באופן סופי שחלקיק שנקרא Z)4430) - שהיה מועמד להדרון אקזוטי עוד משנת 2007 - הוא אכן טטראקוורק טעון חשמלית, שהרכבו קוורק קסום והאנטי קוורק שלו, ועוד שני קוורקים קלים (למעלה ולמטה). מאז, גילה ה-LHCb עוד כעשרה טטראקוורקים ופנטאקוורקים (הדרונים שמורכבים מחמישה קוורקים).
הטטראקוורק, שעל גילויו הוכרז בכנס האירופאי החשוב EPS 2021, מורכב מארבעה קוורקים, והוא טעון חשמלית. הוא ההדרון הראשון שהתגלה שמורכב משני קוורקים קסומים ושני אנטי קוורקים קלים ("למעלה" ו"למטה") - כלומר הקוורק הקסום אינו מאוזן על ידי אנטי קוורק קסום - אלא מחוזק כך ש״הקסם מוכפל״, בדיוק כמו המודל שהוצע על ידי קרלינר ורוזנר. הוא התגלה על ידי התפרקותו לשני מזונים קסומים (מזונים שכל אחד מהם מכיל קוורק קסום ואנטי קוורק קל), שסך המסה שלהם קרוב מאוד למסה שלו. עוד משהו ייחודי בו הוא שיחסית להדרונים אקזוטיים אחרים הוא יציב, זמן החיים שלו גדול פי 10 מזה של חבריו.
כל הדרון אקזוטי בנוי אחרת ומאיר לנו תכונות חדשות, שההבנה שלהן מגדילה את הידע על טבעו של הכוח הגרעיני החזק ועל המבנה של ההדרונים, הקוורקים והגלואונים שמרכיבים אותם.
עריכה: ינון קחטן
צוות ה-LHCb אל מול הגלאי (Image taken from LHC website)
הערות והרחבות:
[1] ראו חדשות סרן
[4] על הכוח החזק וכליאת קוורקים מאת עדי ארמוני
פרופסור לפיסיקת חלקיקים במכון ויצמן למדע. מתעסק באנליזה של התנגשויות פרוטונים בנסיון אטלס שבסרן. עמד בראש קבוצת ההיגס של אטלס בעת גילוי בוזון ההיגס. כיום מתעסק בסטטיסטיקה של מאורעות נדירים וביישומים מתקדמים של אינטליגנציה מלאכותית לפיסיקת חלקיקים.
