יום שבת, 21 בפברואר 2009

עלייתו ונפילתו של הפנטה-קווארק

רשימת חלקיקי היסוד, שמהם מורכבים החומר והקרינה בעולמנו, איננה ארוכה. ברשימה זו נכללים, בין השאר, שישה קווארקים. ניתן לומר ששני הקלים שבהם, הקווארקים u ו-d, בונים את הנייטרונים והפרוטונים, כלומר את גרעיני כל האטומים המוכרים. הקווארקים קשורים זה לזה באמצעות חלקיקים אחרים הקרויים גלואונים. התמונה הזו קצת פשטנית, ולמעשה אותם פרוטונים ונייטרונים מכילים כמות גדולה של גלואונים ושל קווארקים. הקווארקים והגלואונים הללו נוצרים ונעלמים באופן ספונטני וקשה לגלות את נוכחותם, משום שהם לא משפיעים על מרבית התכונות הבסיסיות של הפרוטון ושל הנייטרון (למשל מטען חשמלי). תכונות אלו מתאימות לצירוף של שלושה קווארקים בלבד: התכונות של הפרוטון מתאימות לזוג קווארקי u וקווארק d אחד, והתכונות של הנייטרון מתאימות לזוג קווארקי d וקווארק u אחד. במילים אחרות, קווארקים וגלואונים מופיעים ונעלמים כל הזמן, אבל בממוצע יש צירוף של קווארקים שמאפיין את החלקיק המורכב (לצורך העניין פרוטון ונייטרון הם חלקיקים מורכבים). אותם קווארקים שמעניקים לחלקיק המורכב את תכונותיו נקראים קווארקי ערכיות (valence quarks).

 חלקיקי היסוד של החומר ותכונותיהם
 
החלקיקים המורכבים מקווארקים נחלקו עד 2003 לשני סוגים: באריונים (baryons) המכילים שלושה קווארקי ערכיות ומזונים (mesons) המכילים קווארק ואנטי-קווארק. אנטי-קווארק הוא האנטי-חלקיק של קווארק, ולכל אחד מששת הקווארקים מתאים אנטי-קווארק אחד. לא אפרט אודות אנטי-חומר בפוסט הזה; רק אזכיר שהוא מוכר היטב מאז שנות ה-30 של המאה העשרים וההילה שנקשרה לו בספרו של דן בראון "מלאכים ושדים" קצת מוגזמת.יש המון ספקולציות לגבי סוגי חלקיקים נוספים שמורכבים מקווארקים. כך למשל, יש המפרשים מדידות הנוגעות למזונים מסוימים ככאלו המרמזות על כך שהם בנויים בעצם משני קווארקים ושני אנטי-קווארקים. במקרה זה קשה להכריע אם כך הדבר.

 מבנה הפנטה-קווארק

ב-2003 התחוללה מהפיכה קטנה בתחום פיזיקת החלקיקים. קבוצה יפנית, שסיימה לנתח תוצאות ניסוי שנערך שנתיים קודם לכן, דיווחה על גילוי של חלקיק חדש. מדובר בחלקיק קצר חיים שלא התגלה ישירות בגלאי, אלא קיומו נצפה באופן עקיף - באמצעות תוצרי הדעיכה שלו. גילוי חלקיקים שנוצרו בהתנגשויות במאיצי חלקיקים באמצעות שחזורם מתוך התוצרים הסופיים הוכיחה את עצמה פעמים רבות בעבר והיא שימושית מאוד עבור חלקיקים קצרי חיים המכונים גם חלקיקי תהודה (resonance). למעשה, גילוי ישיר של חלקיקים כאלו אינו אפשרי. תוצרי הדעיכה יכולים לרמז גם על הרכב החלקיק החדש, ובצורה זו היפנים ראו דבר מפתיע: החלקיק שהתגלה לא היה מורכב משלושה קווארקים (באריון) וגם לא משניים (מזון), אלא היו בו חמישה קווארקי ערכיות, או ליתר דיוק 4 קווארקים ואנטי-קווארק אחד. חלקיק זה כונה פנטה-קווארק (פנטאקווארק, pentaquark) עקב חמשת הקווארקים שהוא מכיל.

אפשרות קיומם של פנטה-קווארקים נחזתה שנים קודם לכן. צבי ליפקין ממכון ויצמן הציע את אחד המודלים הראשונים של פנטה-קווארקים, אבל מבחינת הרכב הקווארקים שבו, התאים החלקיק החדש למודל אחר שהוצע ב-1997 על ידי 3 פיזיקאים רוסים. אפילו המסה שלו, כפרוטון וחצי, התאימה לאחד החלקיקים באותו מודל.

בשנתיים הבאות, תשע קבוצות אחרות פרסמו מאמרים שבהם נטען כי גם הן מצאו את אותו פנטה-קווארק. היו אף כאלו שדיווחו על מציאת פנטה-קווארקים נוספים. תוך כדי כך כמה קבוצות ניתחו תוצאות של ניסויים ישנים ולפתע מצאו בהם עדויות לקיומם של פנטה-קווארקים. עם זאת, ניסויים אחרים, בהם כאלו שהתבצעו בתנאים זהים, לא הראו ראיות לקיומו של החלקיק החדש. מאז נערכו ניסויים רבים נוספים, שבהם נאספה כמות גדולה יותר של נתונים, והיום ברור מעל לכל ספק שהפנטה-קווארקים המדוברים לא התגלו, כלומר התוצאות שדווחו היו שגויות.

בפוסט הבא אנסה לנתח את סיפורו של הפנטה-קווארק, שעל אף המבוכה הגדולה שהתחוללה סביבו, ואולי דווקא בגללה, יש לו חשיבות בהיסטוריה של המדע.

2 comments:

אנונימי אמר/ה...

איזה ניסוי עשו היפנים?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

הם כיוונו אור חזק (המורכב מפוטונים) לעבר אטומי פחמן ובדקו את התוצרים של האינטראקציה בין הפוטונים ובין הנייטרונים בגרעין הפחמן. הם התרכזו במקרים שבהם נוצרו שני מזונים הקרויים קאונים ונייטרון (פוטון+נייטרון --> 2 קאונים +נייטרון).
לפי הממצאים שלהם נוצר תחילה קאון שלילי ופנטה-קווארק שהתפרק לקאון חיובי ונייטרון.
אני מצרף קישור
למאמר המקורי של היפנים
ולהרצאה מ-2004 שבה כבר מובעים ספקות לגבי הגילוי.