קבוצת פיזיקאים ניסויים מסין דיווחה לאחרונה כי ייתכן שמצאה חלקיק חמקמק המכונה גלוּבּוֹל (כדור דבק) [1]. מהו חלקיק זה, ולמה קשה כל כך לאתר אותו? מה הצליחו החוקרים למדוד?

התורה של הכוח החזק, הכוח הפועל בתוך גרעין האטום בין מרכיביו, היא תורה מבוססת מאוד, שאוששה במספר רב מאוד של ניסויים ועבור גילויה ניתנו כמה פרסי נובל. כתבנו עליה בעבר כמה כתבות [2]. לצד הפרטים שכבר אוששו, התורה חוזה את קיומו של חלקיק שנקרא ׳גלובול׳ (Glueball), שעד כה לא נמצא במאיצי החלקיקים. לאחרונה פורסם בכתב העת החשוב Physical Review Letters מאמר הטוען כי גלובול התגלה בניסוי [1]. אז מהו החלקיק הזה?

בשנות השישים של המאה הקודמת התגלו במאיצי החלקיקים מספר רב של חלקיקים הנקראים הֶדְרוֹנים [4]. ההדרונים נחלקים לשתי קבוצות: מֵזוֹנים ובַּארְיונים. כיום אנו יודעים שהמזונים מורכבים מקווארק ואנטי-קווארק, ואילו הבאריונים מורכבים משלושה קווארקים. הקווארקים הם חלקיקים יסודיים בטבע, כלומר אין להם מבנה פנימי (ככל הידוע בעת כתיבת שורות אלו).

בראשית שנות השבעים, לפני כחמישים שנה, ניסחו פיזיקאים את התורה של הכוח החזק. על פי תורה זו, הנקראת בשם המזעזע ׳כרומודינמיקה קוונטית׳, החלקיקים היסודיים בטבע הם קוואַרְקים וגְלוּאוֹנים. הגלואונים, כפי ששמם מרמז, הם מעין דבק שגורם לקווארקים להימשך זה לזה וליצוְְר את כל הבאריונים והמזונים בטבע. הפרוטון והנויטרון, מרכיבי גרעין האטום, הם הבאריונים המוכרים ביותר, אולם בטבע קיימים עשרות סוגים של חלקיקים דמויי הפרוטון והנויטרון.

ברצוני לפרט קצת יותר לגבי המנגנון שתיארתי לעיל. אחד העקרונות הבסיסיים של הכרומודינמיקה הקוונטית הוא תופעת הכליאה [2]. הגלואונים, חלקיקי הדבק של הכוח החזק, מפעילים כוח כה חזק בין קווארקים, עד שהם 'כולאים' אותם בחבילות של קווארק ואנטי-קווארק (מזונים) או בחבילות של שלושה קווארקים (באריונים). וכאן מתבקשת השאלה: אם הגלואונים יכולים להדביק קווארקים, מדוע שלא ידביקו זה את זה? האם ייתכן חלקיק המורכב רק מחלקיקי ׳דבק׳?

על פי הכרומודינמיקה הקוונטית התשובה היא כן!  הגלואונים נמשכים זה לזה, כך ששני גלואונים (או אף יותר) יכולים ליצור חלקיק שאין בו קווארקים כלל – חלקיק המורכב מגלואונים בלבד. חלקיק היפותטי זה, שטרם נצפה בטבע עד לאחרונה, נקרא ׳גלובול׳ (כדור דבק).

קיימים כמה קשיים עקרוניים במדידת חלקיק הגלובול: הוא חסר מטען חשמלי או כל מטען אחר, כלומר מדובר במסה חמקמקה, חסרת מאפיינים כמעט. בנוסף לצרות אלו, הגלובול אינו יציב והוא מתפרק מהר מאוד לחלקיקים קלים יותר. על פי התאוריה הוא צפוי להתפרק למזונים בתוך זמן קצרצר. לפיכך, התאוריה חוזה שיהיה ניתן לצפות בתוצרי ההתפרקות של הגלובול, אך לא בגלובול עצמו.

עד כה לא זוהו גלובולז בטבע. פיזיקה ניסויית של חלקיקים היא מדע מורכב מאוד, ולעיתים צריך רמזים מהפיזיקה התאורטית כדי להגיע לתגלית בניסוי. בשנים האחרונות קבוצת פיזיקאים תאורטיקאים, ובהם עמיתיי וחבריי מאוניברסיטת סוונסי, חישבה את המסה של הגלובול הקל ביותר [3]. החישוב נעשה בהסתמך על תורת הכוח החזק ובעזרת סימולציית מחשב שהצריכה שימוש במחשבים חזקים במיוחד. החישוב נתן לפיזיקאים הניסויים שביצעו את האנליזה הסטטיסטית רמז היכן נמצאת המחט בערמת השחת: לצורך ההשוואה לתצפית בניסוי, מסת הגלובול צריכה להיות כ-2395 מגה אלקטרון וולט (בשל השקילות בין מסה ואנרגיה, נהוג לציין את מסות החלקיקים ביחידות של אנרגיה, בדרך כלל באלקטרון וולט).

בניסוי שנעשה במאיץ חלקיקים בבייג׳ינג, שבו מתנגשים אלקטרונים ופוזיטרונים, נוצרו חלקיקים רבים. בניתוח הססטיסטי של תוצרי ההתנגשות גילו הניסיונאים מאורע התפרקות של מזון כבד לשלושה מזונים קלים ופוטון. כאשר הם ערכו ניתוח מדוקדק יותר של המאורע, התברר להם שבמהלך ההתפרקות של המזון הכבד, לפני שהוא מתפרק לחלקיקים הסופיים, נוצר חלקיק ביניים אשר מתקיים במשך זמן קצרצר ולו מסה של כ-2395 מגה אלקטרון וולט. ייתכן שחלקיק זה הוא הגלובול המבוקש, מכיוון שאינו מכיל קווארקים ואין לו מטען חשמלי או מטענים אחרים. בנוסף, המסה שלו מתאימה לחיזוי התאורטי.
במילים אחרות: אם משהו נראה כמו ברווז, מגעגע כמו ברווז ושוחה כמו ברווז – ייתכן שזה גלובול…

אומנם המאמר המדעי פורסם בכתב עת חשוב, אולם כותבי המאמר נקטו לשון זהירה וסייגו את הצהרתם לגבי הגילוי. הם טענו כי החלקיק שגילו עשוי להיות גלובול. הסיבות לזהירות רבות: ייתכן שיש טעות בחישוב התאורטי, ואולי האנליזה שגויה.

האם אכן התגלה גלובול במאיץ החלקיקים בבייג׳ינג? ימים (ומחקרים נוספים) יגידו.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] קישור למאמר המדעי בו דווח על התגלית

[2] על הכוח החזק וכליאת קווארקים

[3] חישוב המסה של הגלובול: E. Gregory, A. Irving, B. Lucini, C. McNeile, A. Rago, C. Richards, and E. Rinaldi, J. High Energy Phys. 10 (2012) 170.

[4] על החלקיקים האלמנטריים הכפופים לכוח הגרעיני החזק