קווארקים, בוזונים וגלואונים

בכל תחום ישנה תיאוריה בסיסית מקובלת. בביולוגיה מולקולרית תמצאו את הדוגמה המרכזית, המסבירה את המעבר מנוקלאוטידים לחלבונים, בכימיה תגלו את הטבלה המחזורית ומכניקת הקוואנטים, ובפיסיקה של חלקיקים אלמנטריים תחשפו למודל הסטנדרטי (standard model). המודל הסטנדרטי הנו המסגרת התיאורטית, המסבירה את החלקיקים הקיימים ביקום ואת האינטראקציות ביניהם, או בשפה אחרת, את הכוחות הפועלים ביניהם.

המודל הסטנדרטי כולל מספר מסוים של חלקיקים, ולכל חלקיק הוא מצמיד אנטי חלקיק. כאשר חלקיק פוגש באנטי חלקיק שלו, שניהם עוברים איון (annihilation) וכל מסתם הופכת לאנרגיה. אנטי חלקיקים זהים בכל לחלקיקים, אולם מטעניהם שונים. לדוגמא, האנטי חלקיק של האלקטרון נקרא פוזיטרון (לרוב האנטי חלקיקים פשוט נקראים אנטי-משהו, לדוגמא האנטי חלקיק של פרוטון יקרא אנטי פרוטון).

הוא זהה במסתו לאלקטרון, אך מטענו החשמלי חיובי. קיומו של האנטי חומר נחזה תיאורטית בשנת 1928, ובשנת 1932 נתגלה הפוזיטרון בקרניים קוסמיות, וכיום פיסיקאים במעבדות CERN מייצרים אטומי אנטי מימן. רק לידע כללי, אנטי חומר הוא החומר היקר בעולם. גרם אנטי חומר עולה כמה אלפי טריליוני דולרים!

קבוצות חלקיקים

לפי המודל הסטנדרטי ניתן לחלק את החלקיקים למספר קבוצות. החלוקה הראשונה מבחינה בין בוזונים (bosons) ופרמיונים (fermions). הבוזונים הם חלקיקים בעלי ספין שלם (0,1,2...), והפרמיונים הם בעלי ספין של חצי וכפולותיו (1/2,3/2...), כאשר ספין הוא תכונה של חלקיקים אלמנטריים, התנע הזוויתי הפנימי שלהם.

הבדל נוסף בין הפרמיונים והבוזונים מתבטא בציותם של הפרמיונים לעיקרון האיסור של פאולי (Pauli's exclusion principle), שקובע ששני חלקיקים בעלי אותן תכונות אינם יכולים להימצא באותו מצב קוואנטי. הבוזונים, לעומתם, אינם כפופים לאיסור זה.

השחקנים הראשיים

ההדרונים

אתם בוודאי שואלים את עצמכם כיצד ייתכן חלקיק עם מטען שאינו כפולה שלמה של מטען האלקטרון, הרי תמיד למדנו שהמטען של האלקטרון הוא יחידת המטען היסודית בטבע. ובכן, הקווארקים תמיד נמצאים במבנים, שסכום המטען החשמלי שלהם הוא כפולה שלמה של מטען האלקטרון. השם הכולל לחלקיקים הבנויים מקווארקים הוא הדרונים (hadrons).

ההדרונים מתחלקים לבריונים (baryons) ומזונים (mesons), כאשר הבריונים הם חלקיקים המורכבים משלושה קווארקים, בדומה לפרוטונים והנויטרונים, והמזונים הם חלקיקים הבנויים מקווארק ואנטי קווארק. הפרוטון, לדוגמא, בנוי משלושה קווארקים: מעלה, מעלה ומטה. בשנה האחרונה נתגלו חלקיקים אקזוטיים יותר, הבנויים מארבעה וחמישה קווארקים.

הלפטונים

כוחות

הכוח הבא הוא הכוח הגרעיני החלש. זהו הכוח שאחראי בין השאר על התפרקויות רדיואקטיביות. החלקיקים הנושאים שלו הם ה-W וה-Z. הכוח היסודי השלישי הוא הכוח הגרעיני החזק, שידוע בכינוי "כוח הצבע". המודל שמתאר אותו מצמיד לכל חלקיק שמרגיש את הכוח (מדובר על קווארקים) "צבע" אדום, כחול או ירוק (חשוב להבין שאין לצבע הזה כל קשר עם מושג הצבע המוכר לנו. מדובר במודל שמטרתו הסברת ההתנהגות של החלקיקים).

פליטת הגלואון

אופן פעולת הכוח מתואר כחילופי חלקיקי גלואונים, כאשר כל קווארק פולט גלואון שנושא צבע ואנטי צבע, ותוך כדי הפליטה של הגלואון משנה הקווארק את צבעו. ככה מתרחשים להם חילופי צבעים באופן תמידי. צבעים זהים דוחים זה את זה, ואילו צבעים שונים מושכים אחד את השני.

החופש האסימפטוטי

ומה בנוגע לתלות הכוח החזק במרחק? ובכן, בניגוד לכוח האלקטרומגנטי, למשל, שעוצמתו קטנה עם הגידול במרחק, עוצמתו של הכוח החזק קטנה, ככל שהחלקיקים המעורבים מתקרבים. תודו, נשמע קצת מוזר. משמעות הדבר היא שכאשר החלקיקים מאוד מאוד קרובים, הכוח ביניהם שואף לאפס, והם מתנהגים כמעט כחלקיקים חופשיים!

זהו בעצם החופש האסימפטוטי (asimptotic freedom), שקובע שעוצמת הכוח החזק בין שני חלקיקים, שהמרחק ביניהם שואף לאפס, שואפת גם היא לאפס, והם מתנהגים כחלקיקים חופשיים מהשפעת הכוח.

מודל כמעט שלם

החיפושים מעבר

למרות ההצלחות הרבות של המודל הסטנדרטי, מתנהלים חיפושים רבים, הן בקרב תיאורטיקנים, והן בקרב נסיינים, אחר פיסיקה "מעבר למודל הסטנדרטי". מדובר בתיאוריות חדשות, שמעוניינות להחליף או להרחיב את המודל הסטנדרטי. נזכיר כמה שמות בקצרה, שכן כל תיאוריה כזאת יכולה למלא אינספור כתבות.

מועמדת אחת היא הסופרסימטרייה (supersymmtery), שחוזה את קיומו של חלקיק סופרסימטרי תואם לכל חלקיק במודל הסטנדרטי. תיאוריה נוספת היא תיאוריית המיתרים (string theory), שגורסת שכל החלקיקים בעולמנו הם רטיטות של מיתרים זעירים.

יהיה מעניין

• שאלות והפניות לאתרים ותשובות ניתן להפנות ל- slartibartfastush@hotmail.com 
  

• הכתבה לקוחה מאתר הידען