מסתרי הכוח החלש
15/02/2022
במאה הקודמת התגלה הכוח "החלש", שבגינו מתקיימת בגרעין התפרקות בטא המערערת את יציבות גרעיני האטום. מהי התפרקות בטא ומהם מאפייני הכוח החלש?
בסוף המאה התשע-עשרה ובראשית המאה העשרים גילו כימאים ופיזיקאים שגרעיני אטום "רדיואקטיביים" מסוימים, למשל אורניום, אינם יציבים. דוגמה שמוכרת לחלק מהקוראים (אלו מכם שעוסקים בפיתוח נשק גרעיני), היא אורניום שהופך לפלוטוניום. באופן כללי יותר: גרעין האטום, המורכב מפרוטונים ונויטרונים, מתפרק מדי פעם לגרעין אחר והאטום משנה את זהותו, כלומר היסוד משתנה - כפי שחלמו האלכימאים. באופן שנראה מסתורי, נויטרונים בגרעין הופכים מדי פעם לפרוטונים וגם להפך, פרוטונים הופכים מדי פעם לנויטרונים.
שני תהליכים גרעיניים שבהם אדון הם התפרקות בטא-מינוס והתפרקות בטא-פלוס [1]. בהתפרקות בטא מינוס נפלט מהגרעין מטען חשמלי שלילי, ונויטרון הופך לפרוטון, לאלקטרון ולחלקיק נוסף שנקרא אנטי-נייטרינו של האלקטרון; בהתפרקות בטא פלוס נפלט מהגרעין מטען חיובי, ופרוטון הופך לנויטרון, לפוזיטרון (שהוא האנטי-חלקיק של האלקטרון) ונייטרינו. בכוונה השתמשתי במילה ״הופך״, לעומת המילה המקובלת ״מתפרק״, מכיוון שהכוח החלש שעומד מאחורי התהליך עושה דבר מוזר ומופלא: כפי שנראה בהמשך, הכוח החלש משנה את זהות החלקיקים היסודיים המעורבים בתהליך בטא.
התפרקות בטא פלוס חשובה בתחילתו של תהליך ההיתוך הגרעיני, המתרחש בליבה של השמש, וליצירת אנרגיית השמש.
כדי לתאר את המתרחש בתהליך הגה הפיזיקאי אנריקו פרמי מודל הנקרא ״תורת פרמי״, שבעזרתה אפשר היה לחשב את תהליך הבטא. היא כללה מרכיב מוזר ומעניין, שבו הנויטרון נעלם ובמקומו מופיעים הפרוטון, האלקטרון והאנטי-נייטרינו, אולם תאוריה זאת נזנחה בסופו של דבר והוחלפה בתאוריה המודרנית של הכוח החלש, מאחר שקשה היה לשלב את תאוריית פרמי עם תאוריית הקוונטים.
התאוריה המודרנית של הכוח החלש, שמסבירה את התפרקות הבטא, מתבססת על מודל ויינברג-סאלאם, שבגינו זכו סטיבן ויינברג, עבדוס סאלאם ושלדון גלשואו בפרס נובל בשנת 1979. ה״מודל הסטנדרטי״ של החלקיקים היסודיים, שעליו מבוססת כל פיזיקת החלקיקים המודרנית, משלב את הכוח החזק עם תאוריית ויינברג-סאלאם.
ביסודו של המודל הסטנדרטי [1.5] חלקיקים יסודיים בשם קוורקים ולפטונים, שעליהם פועל הכוח החלש (כמו גם חלקיקים נוספים הנקראים בוזונים). משפחת הקוורקים מונה שישה חלקיקי יסוד, ששניים מהם, הנקראים up ו-down, מרכיבים את הפרוטון ואת הנויטרון. ניתן לחשוב בצורה פשטנית על הפרוטון כמורכב משלושה קוורקים: שני קוורקים מסוג up ואחד מסוג down. הנויטרון מורכב משני קוורקים מסוג down ואחד מסוג up. משפחת הלפטונים כוללת בתוכה את האלקטרון ואת הנייטרינו שלו, שהזכרתי בתחילה.
הכוח החלש עושה דבר מופלא: הוא יכול להפוך חלקיק מסוג down לחלקיק מסוג up, תוך יצירת אלקטרון ואנטי-נייטרינו. זהו ההסבר המיקרוסקופי מאחורי התפרקות בטא: הנויטרון נהפך לפרוטון כי אחד ממרכיביו, קוורק down, נהפך לקוורק up, ובעקבות זאת נוצרים גם אלקטרון ואנטי-נייטרינו של האלקטרון.
הדבר קצת מוזר, לא? תארו לכם שאתם משחקים ביליארד, שבו, כמובן, מספר הכדורים והצבעים שלהם נשארים קבועים במהלך המשחק. בעולם המיקרוסקופי, לעומת זאת, שבו מעורב הכוח החלש, מספר החלקיקים וזהותם משתנים. תארו לכם שבמשחק הביליארד, הכדור הכחול היה נעלם פתאום, ובמקומו היו מופיעים כדור אדום, כדור ירוק וכדור צהוב! זה מה שקורה באופן מיקרוסקופי בהתפרקות בטא. ראו איור:
התיאור המיקרוסקופי של התפרקות בטא. איור: נעה זילברמן
כיצד בדיוק קורה התהליך שתיארתי? על פי תאוריית ויינברג-סאלאם קיים חלקיק נוסף הנקרא בוזון-W, שגורם לכך שקוורקים ולפטונים משנים את זהותם. כאשר בוזון-W "נוגע" בקוורק הוא הופך אותו לקוורק מסוג אחר, וכך גם לגבי הלפטונים.
חלקיק W נצפה לראשונה בשנת 1983 במעבדת מאיץ החלקיקים CERN בז׳נבה. מדובר בחלקיק כבד מאוד: מסתו היא פי 160,000 ממסת האלקטרון. בשל היותו שמן קשה לו לנוע, וזוהי הסיבה שהכוח החלש הוא קצר טווח: את השפעתו ניתן לראות רק במרחקים קצרצרים, כגון גודל הגרעין. זאת לעומת הכוח האלקטרומגנטי, שהוא ארוך טווח.
הכוח החלש מסוגל לעשות עוד דברים מוזרים. למשל, הוא מעדיף את צד שמאל על פני צד ימין - תהליכים שבהם מעורב הכוח החלש נראים הפוך בעולם המראה. כתבתי על כך בהרחבה בעבר [2].
הסיבה לכך שהכוח החלש קצר טווח קשורה הדוקות לחלקיק ההיגס: בתהליך מורכב, שבו חלקיק ה-W מקיים פעולת גומלין עם חלקיק ההיגס, חלקיק ההיגס מעניק לחלקיק ה-W את מסתו הגבוהה. מנגנון מורכב זה נחזה על-ידי סטיבן ויינברג (ראו ריאיון קצר שערכתי עמו לפני מותו [3]). ללא חלקיק ההיגס לא היה מתאפשר קיומו של הכוח החלש קצר הטווח. ניתן לומר שהתפתחות הבנת הכוח החלש הביאה להבנת התאוריה המורכבת של חלקיק ההיגס [4].
אפשר לספר עוד הרבה על הכוח החלש: הוא מתמזג יחדיו עם הכוח האלקטרומגנטי המוכר לנו, ולפיכך המיזוג המתואר במודל ויינברג-סאלאם נקרא גם ״התורה האלקטרו-חלשה״. על-כך, אולי, בפוסט אחר.
איור: נעה זילברמן
עריכה: ינון קחטן
הערות והרחבות:
[1] התפרקות בטא
[1.5] מהו המודל הסטנדרטי?
[3] ריאיון עם פרופ' סטיבן ויינברג
[4] יום גילוי ההיגס
פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים אלמנטריים באוניברסיטת סוונסי. בעבודתו עוסק עדי בכרומודינמיקה קוונטית ובתורת המיתרים
דוקטורנטית לפיזיקה בטכניון, בתחום של יחסות כללית. חוקרת אפקטים קוונטיים על רקע חורים שחורים. חובבת טבע, מוזיקה ואמנות. עורכת מדעית ב"מדע גדול, בקטנה".
