גרעין האטום מורכב מפרוטונים ונויטרונים, הקשורים זה לזה בעזרת הכוח הגרעיני החזק. ההסבר לגבי תכונות הכוח החזק הנדרשות לקיים את הגרעין ניתנו על ידי הפיזיקאי היפני הידקי יוקאווה בשנת 1935. הוא הצריך קיום חלקיק חדש בשם ״פאיון״, שמסתו גדולה פי כמאתיים ממסת האלקטרון. כעבור כמה שנים התגלה הפאיון, התאוריה של יוקואווה אוששה והוא זכה בשל כך בפרס נובל בפיזיקה.

לפני כמאה שנה החל להתבהר מבנה האטום: גרעין בעל מטען חיובי, שסובבים אותו אלקטרונים. בתחילה היה ידוע רק על הפרוטונים שמרכיבים את הגרעין, חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי. אולם בשנת 1932 התגלה שהגרעין מורכב גם מחלקיקים בשם נויטרונים, שאינם נושאים מטען חשמלי. גרעין האטום קטן פי כעשרת אלפים מהאטום עצמו. משמעות הדבר היא שהפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את הגרעין דחוסים יחדיו. מה מחזיק אותם ביחד? מה גורם לנויטרונים להימשך זה לזה? כיצד נמשכים הפרוטונים זה לזה למרות כוח הדחייה החשמלי הפועל ביניהם?

בשנת 1935 ניסח יוקאווה את התאוריה המסבירה את הכוח החזק, שגורם לפרוטונים ולנויטרונים להימשך זה לזה וליצור את גרעין האטום. 

עד שנת 1935 היה ידוע שקיימים בטבע חלקיקים בשם אלקטרון, פרוטון ונויטרון, המרכיבים את האטום (בנוסף לאנטי אלקטרון, הפוזיטרון, שנחזה בידי התאורטיקן פול דיראק). מלבד חלקיקים אלו, ידוע היה שקיים חלקיק נוסף בשם פוטון. אף שהכוח האלקטרומגנטי לא היה מובן לחלוטין, היה כבר ידוע שכוח המשיכה החשמלי בין האלקטרון והפרוטון ניתן להסבר בעזרת "החלפת פוטון": האלקטרון והפרוטון מוסרים זה לזה פוטונים, וכך מתרחשת המשיכה החשמלית ביניהם [1].

מאחר שהפוטון הוא חלקיק חסר מסה, אפשר למסור אותו למרחקים ארוכים, למעשה אינסופיים, ואנו נוהגים לומר שהכוח החשמלי הוא ארוך טווח. הכוח הגרעיני החזק, לעומת זאת, הוא קצר טווח - הוא מתקיים רק בתוך גרעין האטום. לפיכך הגה יוקאווה את הרעיון שפרוטונים ונויטרונים מחליפים ביניהם חלקיק כבד, וזוהי הסיבה שהכוח הגרעיני מצומצם למרחקים קצרים - גודלו של הגרעין. בשפה קצת יותר טכנית: הכוח הגרעיני החזק דועך אקספוננציאלית, כאשר הטווח של הכוח נקבע על פי אחד חלקי מסת הפאיון.

יוקאווה ניסח תאוריה מפורטת של הכוח הגרעיני החזק (כיום היא נקראת תאוריית יוקאווה), שבמרכזה חלקיק חדש וכבד שנקרא מֵזון מסוג פאי, או פאיון. יוקאווה העריך שכדי שהכוח החזק יהיה מוגבל לגרעין, מסת הפאיון גדולה בערך פי מאתיים ממסת האלקטרון.

תורתו של יוקאווה אוששה ניסויית בשנת 1947, כאשר חלקיק הפאיון נתגלה בניסוי, שנערך בידי צוות בראשות הפיזיקאי הבריטי ססיל פאוול. חלקיק הפאיון קיים בקרינה הקוסמית, כלומר הוא מגיע לכדור הארץ באופן ״טבעי״. הצוות של פאוול למעשה "צילם" את הפאיון. הוא הציב לוחות צילום בהרי הפירנאים והאנדים שאיפשרו, אחרי פענוח הלוחות, לחזות בתהליך שבו הפאיון מתפרק לחלקיקים אחרים. (בזכות התגלית החשובה זכה פאוול בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1950 [3].)

מסתו של הפאיון גדולה פי 273 ממסת האלקטרון, ופעולת הגומלין שהוא מקיים עם הפרוטון והנויטרון מתרחשת בדיוק בדרך שחזתה תורתו של יוקאווה. בגין עבודתו החשובה זכה יוקאווה בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1949 [2], והיה ליפני הראשון שזכה בנובל.

יוקאווה היה פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קיוטו. לאחר זכייתו בפרס נובל הוקם באוניברסיטה מכון מחקר לפיזיקה תאורטית הנושא את שמו. בימים אלו אני שוהה במכון המחקר הנפלא הזה, בעיר היפה קיוטו. ברצוני להודות למכון המחקר על האירוח.

עדי ארמוני הוא פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים
עריכה: ינון קחטן

בתמונת הנושא - פסלו של יוקאווה בכניסה למכון המחקר לפיזיקה תאורטית בקיוטו. צילום: עדי ארמוני

מקורות והרחבות:

[1] דיאגרמת פיינמן

[2] נובל להידקי יוקאווה

[3] נובל לססיל פאוול