רק לפני שנה, פיטר היגס ופרנסואה אנגלר קיבלו את פרס נובל על עבודתם על חלקיקים תת-אטומיים. זה אולי נראה מגוחך, אבל מדענים גילו את התגליות שלהם לפני חצי מאה, אבל עד עכשיו לא ניתנה להם חשיבות גדולה.
בשנת 1964, שני פיזיקאים מוכשרים נוספים הגיעו גם הם עם התיאוריה החדשנית שלהם. בהתחלה היא גם לא משכה כמעט תשומת לב. זה מוזר, שכן היא תיארה את המבנה של האדרונים, שבלעדיהם לא תיתכן אינטראקציה בין-אטומית חזקה. זו הייתה תורת הקווארק.
מה זה?
אגב, מה זה קווארק? זהו אחד המרכיבים החשובים ביותר של ההדרון. חָשׁוּב! לחלקיק הזה יש ספין "חצי", למעשה הוא פרמיון. בהתאם לצבע (עוד על כך בהמשך), המטען של קווארק יכול להיות שווה לשליש או שני שליש מזה של פרוטון. לגבי צבעים, יש שישה מהם (דורות של קווארקים). הם נחוצים כדי שעקרון פאולי לא יופר.
בסיסיפרטים
בהרכב של האדרונים, חלקיקים אלה ממוקמים במרחק שאינו עולה על ערך הכליאה. זה מוסבר בפשטות: הם מחליפים וקטורים של שדה המדיד, כלומר, גלוונים. למה הקווארק כל כך חשוב? פלזמת גלואון (רוויה בקווארקים) היא מצב החומר שבו נמצא היקום כולו מיד לאחר המפץ הגדול. בהתאם לכך, קיומם של קווארקים וגלואונים הוא אישור ישיר לכך שהוא באמת היה.
יש להם גם צבע משלהם, ולכן, במהלך התנועה, הם יוצרים את העותקים הווירטואליים שלהם. בהתאם לכך, ככל שהמרחק בין הקווארקים גדל, כוח האינטראקציה ביניהם גדל באופן משמעותי. כפי שאתה יכול לנחש, במרחק מינימלי, האינטראקציה נעלמת כמעט (חופש אסימפטוטי).
לכן, כל אינטראקציה חזקה בהדרונים מוסברת על ידי המעבר של גלוונים בין קווארקים. אם אנחנו מדברים על אינטראקציות בין האדרונים, אז הם מוסברים על ידי העברת תהודה פי-מזון. במילים פשוטות, בעקיפין, הכל שוב מסתכם בחילופי גלואונים.
כמה קווארקים יש בנוקלאון?
כל נויטרון מורכב מזוג ד-קווארקים, ואפילו מ-u-קווארק בודד. כל פרוטון, להיפך, מורכב מ-d-quark בודד וזוג u-quarks. אגב, אותיות מוקצות בהתאם למספרים קוונטיים.
בוא נסביר. לדוגמה, ריקבון בטא מוסבר בדיוק על ידי הפיכת אחד מאותו סוג של קווארקים בהרכב הנוקלאון לאחר. כדי להבהיר יותר, אפשר לכתוב את התהליך הזה בנוסחה כזו: d=u + w (זו דעיכה של נויטרונים). בהתאמה,פרוטון נכתב בנוסחה מעט שונה: u=d + w.
אגב, התהליך האחרון הוא שמסביר את הזרימה המתמדת של ניטרינו ופוזיטרונים מצבירי כוכבים גדולים. אז, בקנה מידה של היקום, ישנם מעט חלקיקים חשובים כמו הקווארק: פלזמת גלואון, כפי שכבר אמרנו, מאשרת את עובדת המפץ הגדול, ומחקרים על חלקיקים אלה מאפשרים למדענים להבין טוב יותר את עצם המהות של העולם שבו אנו חיים.
מה קטן יותר מקווארק?
אגב, ממה מורכבים הקווארקים? החלקיקים המרכיבים אותם הם פריונים. חלקיקים אלו קטנים מאוד ואינם מובנים, כך שגם היום לא ידוע עליהם הרבה. זה מה שקטן מקווארק.
מאיפה הם הגיעו?
עד היום, שתי ההשערות הנפוצות ביותר להיווצרות פריונים: תורת המיתרים ותיאוריית בילסון-תומפסון. במקרה הראשון, המראה של חלקיקים אלה מוסבר על ידי תנודות מיתר. ההשערה השנייה מציעה שהמראה שלהם נגרם ממצב נרגש של מרחב וזמן.
מעניין שבמקרה השני, ניתן לתאר את התופעה במלואה באמצעות המטריצה של העברה מקבילה לאורך העקומות של רשת הספין. המאפיינים של המטריצה הזו בדיוק קובעות מראש את אלו עבור הפראון. מזה מורכבים הקווארקים.
לסיכום כמה תוצאות, אנו יכולים לומר שקווארקים הם סוג של "קוואנטה" בהרכב האדרונים. התרשמנו? ועכשיו נדבר על איך התגלה הקווארק באופן כללי. זהו סיפור מאוד מעניין, שבנוסף חושף במלואו כמה מהניואנסים שתוארו לעיל.
חלקיקים מוזרים
מיד לאחר תום מלחמת העולם השנייה, מדענים החלו לחקור באופן פעיל את עולם החלקיקים התת-אטומיים, שעד אז נראה פשוט בצורה פרימיטיבית (לפי הרעיונות הללו). פרוטונים, נויטרונים (נוקלונים) ואלקטרונים יוצרים אטום. בשנת 1947 התגלו פיונים (וקיומם נחזה עוד ב-1935), שהיו אחראים למשיכה ההדדית של נוקלונים בגרעין האטומים. יותר מתערוכה מדעית אחת הוקדשה לאירוע זה בבת אחת. קווארקים עדיין לא התגלו, אבל רגע ההתקפה על ה"עקבות" שלהם התקרב.
ניוטרינו עדיין לא התגלו עד אז. אבל חשיבותם לכאורה בהסבר התפרקות בטא של אטומים הייתה כה גדולה שלמדענים לא היה ספק רב בקיומם. בנוסף, כמה אנטי-חלקיקים כבר זוהו או חזויים. הדבר היחיד שנותר לא ברור היה המצב עם מיואונים, שנוצרו במהלך ריקבון פיונים ועברו לאחר מכן למצב של ניטרינו, אלקטרון או פוזיטרון. פיזיקאים לא הבינו בכלל בשביל מה תחנת הביניים הזו.
אבוי, דגם כל כך פשוט ולא יומרני לא שרד זמן רב את רגע גילוי האדמוניות. ב-1947 פרסמו שני פיזיקאים אנגלים, ג'ורג' רוצ'סטר וקליפורד באטלר, מאמר מעניין בכתב העת המדעי Nature. החומר עבורו היה המחקר שלהם על קרניים קוסמיות באמצעות תא עננים, שבמהלכו הם השיגו מידע מוזר. באחד התמונות שצולמו במהלך התצפית נראו בבירור צמד מסלולים עם התחלה משותפת. מכיוון שהפער דומה ל-V הלטינית, זה התברר מיד– המטען של החלקיקים האלה בהחלט שונה.
מדענים הניחו מיד שהמסלולים הללו מצביעים על העובדה של ריקבון של חלקיק לא ידוע כלשהו, שלא הותיר עקבות אחרים. חישובים הראו שהמסה שלו היא בערך 500 MeV, וזה הרבה יותר גדול מהערך הזה של אלקטרון. כמובן, החוקרים כינו את התגלית שלהם חלקיק V. עם זאת, זה עדיין לא היה קווארק. החלקיק הזה עדיין חיכה בכנפיים.
זה רק מתחיל
הכל התחיל עם הגילוי הזה. ב-1949, באותם תנאים, התגלה זכר לחלקיק, שהוליד שלושה פיונים בבת אחת. עד מהרה התברר שהיא, כמו גם חלקיק ה-V, הם נציגים שונים לחלוטין של משפחה המורכבת מארבעה חלקיקים. לאחר מכן, הם נקראו K-mesons (קאונים).
לזוג קאונים טעונים יש מסה של 494 MeV, ובמקרה של מטען ניטרלי - 498 MeV. אגב, בשנת 1947, למדענים היה מזל מספיק כדי ללכוד בדיוק את אותו מקרה נדיר מאוד של ריקבון של קאון חיובי, אבל באותה תקופה הם פשוט לא יכלו לפרש את התמונה בצורה נכונה. עם זאת, כדי להיות הוגן לחלוטין, למעשה, התצפית הראשונה על הקאאון נעשתה עוד ב-1943, אך מידע על כך כמעט אבד על רקע פרסומים מדעיים רבים לאחר המלחמה.
מוזרות חדשה
ואז חיכו עוד תגליות למדענים. בשנים 1950 ו-1951 הצליחו חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר ומלנבורג למצוא חלקיקים כבדים בהרבה מפרוטונים ונייטרונים. שוב לא היה לו מטען, אבל התכלה לפרוטון ולפיון. האחרון, כפי שניתן להבין,מטען שלילי. החלקיק החדש קיבל את השם Λ (למבדה).
ככל שחלף יותר זמן, כך היו יותר שאלות למדענים. הבעיה הייתה שחלקיקים חדשים נוצרו אך ורק מאינטראקציות אטומיות חזקות, והתפרקו במהירות לפרוטונים ולנייטרונים הידועים. בנוסף, הם תמיד הופיעו בזוגות, מעולם לא היו ביטויים בודדים. זו הסיבה שקבוצת פיזיקאים מארה ב ויפן הציעה להשתמש במספר קוונטי חדש - מוזרות - בתיאור שלהם. לפי הגדרתם, המוזרות של כל החלקיקים הידועים האחרים הייתה אפס.
מחקר נוסף
פריצת הדרך במחקר התרחשה רק לאחר הופעתה של שיטתיות חדשה של האדרונים. הדמות הבולטת בכך הייתה הישראלי יובל נאמן, ששינה את הקריירה של איש צבא מצטיין לדרך מבריקה לא פחות של מדען.
הוא שם לב שהמזונים והבריונים שהתגלו עד אז מתפוררים, ויוצרים מקבץ של חלקיקים קשורים, מכפילים. לחברי כל עמותה כזו יש בדיוק את אותה מוזרות, אבל מנוגדת למטענים חשמליים. מכיוון שאינטראקציות גרעיניות חזקות באמת אינן תלויות כלל במטענים חשמליים, מכל הבחינות האחרות החלקיקים מהמכפיל נראים כמו תאומים מושלמים.
מדענים הציעו שסימטריה טבעית מסויימת אחראית להופעתם של תצורות כאלה, ועד מהרה הם הצליחו למצוא אותה. התברר שזו הכללה פשוטה של קבוצת הספינים SU(2), שבה השתמשו מדענים ברחבי העולם כדי לתאר מספרים קוונטיים. כאןרק באותו זמן כבר היו ידועים 23 הדרונים, והספינים שלהם היו שווים ל-0, ½ או ליחידה שלמה, ולכן לא ניתן היה להשתמש בסיווג כזה.
כתוצאה מכך, היה צורך להשתמש בשני מספרים קוונטיים לסיווג בבת אחת, עקב כך הסיווג הורחב באופן משמעותי. כך הופיעה הקבוצה SU(3) אשר נוצרה בתחילת המאה על ידי המתמטיקאי הצרפתי אלי קרטן. כדי לקבוע את המיקום השיטתי של כל חלקיק בו, פיתחו מדענים תוכנית מחקר. לאחר מכן, הקווארק נכנס בקלות לסדרה השיטתית, שאישרה את נכונותם המוחלטת של המומחים.
מספרים קוונטיים חדשים
אז מדענים העלו את הרעיון להשתמש במספרים קוונטיים מופשטים, שהפכו למטען יתר ולספין איזוטופי. עם זאת, ניתן לקחת מוזרות ומטען חשמלי באותה הצלחה. תוכנית זו כונתה בדרך כלל "הנתיב השמיני". זה לוכד את האנלוגיה לבודהיזם, שבו לפני הגעה לנירוונה, אתה גם צריך לעבור שמונה רמות. עם זאת, כל זה הוא מילים.
נימן ועמיתו, גל-מאן, פרסמו את עבודתם ב-1961, ומספר המסונים הידועים אז לא עלה על שבעה. אך בעבודתם לא חששו החוקרים להזכיר את ההסתברות הגבוהה לקיומו של המסון השמיני. באותה שנת 1961, התיאוריה שלהם אושרה בצורה מבריקה. החלקיק שנמצא נקרא eta meson (אות יוונית η).
ממצאים וניסויים נוספים עם בהירות אישרו את הנכונות המוחלטת של סיווג SU(3). המצב הזה הפך לעוצמתיתמריץ לחוקרים שמצאו שהם בדרך הנכונה. אפילו גל-מן עצמו כבר לא הטיל ספק בכך שקווארקים קיימים בטבע. ביקורות על התיאוריה שלו לא היו חיוביות מדי, אבל המדען היה בטוח שהוא צודק.
הנה הקווארקים
בקרוב התפרסם המאמר "מודל סכמטי של בריונים ומזונים". בו, מדענים הצליחו לפתח עוד את רעיון הסיסטמטיזציה, שהתברר כמועיל כל כך. הם מצאו ש-SU(3) בהחלט מאפשר את קיומן של שלישיות שלמות של פרמיונים, שהמטען החשמלי שלהן נע בין 2/3 ל-1/3 ו-1/3, ובשלישית לחלקיק אחד תמיד יש מוזרות שאינה אפס. גל-מאן, שכבר מוכר לנו היטב, כינה אותם "חלקיקי קווארק יסודיים."
לפי ההאשמות, הוא ציין אותם כ-u, d ו-s (מהמילים באנגלית up, down and strange). בהתאם לתכנית החדשה, כל בריון נוצר על ידי שלושה קווארקים בבת אחת. Mesons הם הרבה יותר פשוטים. הם כוללים קווארק אחד (כלל זה אינו ניתן לערעור) ואנטי-קווארק. רק לאחר מכן התוודעה הקהילה המדעית לקיומם של חלקיקים אלו, להם מוקדש המאמר שלנו.
קצת יותר רקע
למאמר הזה, שבמידה רבה קבע מראש את התפתחות הפיזיקה לשנים הבאות, יש רקע מוזר למדי. גל-מן חשב על קיומן של שלישיות מסוג זה הרבה לפני פרסומו, אך לא דן בהנחותיו עם איש. העובדה היא שההנחות שלו לגבי קיומם של חלקיקים עם מטען חלקי נראו כמו שטויות. עם זאת, לאחר ששוחח עם הפיזיקאי התיאורטי המובהק רוברט סרבר, הוא למד שעמיתוהסיק בדיוק את אותן מסקנות.
חוץ מזה, המדען הסיק את המסקנה הנכונה היחידה: קיומם של חלקיקים כאלה אפשרי רק אם הם לא פרמיונים חופשיים, אלא חלק מהדרונים. ואכן, במקרה זה, החיובים שלהם יוצרים שלם אחד! בתחילה קרא להם גל-מן קווארקים ואף הזכיר אותם ב-MTI, אך תגובת התלמידים והמורים הייתה מאופקת מאוד. זו הסיבה שהמדען חשב הרבה מאוד זמן אם עליו להגיש את המחקר שלו לציבור.
עצם המילה "קווארק" (צליל שמזכיר את זעקת הברווזים) נלקחה מיצירתו של ג'יימס ג'ויס. באופן מוזר, אבל המדען האמריקני שלח את מאמרו לכתב העת המדעי האירופי היוקרתי Physics Letters, שכן הוא חשש מאוד שעורכי המהדורה האמריקאית של Physical Review Letters, הדומים ברמתם, לא יקבלו אותו לפרסום. אגב, אם אתה רוצה להסתכל לפחות בעותק של המאמר הזה, יש לך דרך ישירה לאותו מוזיאון ברלין. אין קווארקים באקספוזיציה שלו, אבל יש היסטוריה מלאה של גילוים (ליתר דיוק, עדויות תיעודיות).
תחילת מהפכת הקווארק
למען ההגינות, יש לציין שכמעט באותו זמן הגיע לרעיון דומה מדען מ-CERN, ג'ורג' צווייג. ראשית, גל-מן עצמו היה המנטור שלו, ואחר כך ריצ'רד פיינמן. צוויג גם קבע את המציאות של קיומם של פרמיונים בעלי מטענים חלקיים, רק כינה אותם אסים. יתרה מכך, הפיזיקאי המוכשר התייחס גם לבאריונים כשלישיית קווארקים, ומזונים כשילוב של קווארקים.ואנטיקווארק.
בפשטות, התלמיד חזר לחלוטין על מסקנות המורה שלו, ונפרד ממנו לחלוטין. עבודתו הופיעה אפילו כמה שבועות לפני פרסום מאן, אך רק כיצירה "ביתית" של המכון. עם זאת, נוכחותן של שתי עבודות עצמאיות, שמסקנותיהן היו כמעט זהות, היא ששכנעה מיד כמה מדענים בנכונות התיאוריה המוצעת.
מדחייה לאמון
אבל חוקרים רבים קיבלו את התיאוריה הזו רחוק מלהיות מיידי. כן, עיתונאים ותיאורטיקנים התאהבו בו במהירות בגלל הבהירות והפשטות שלו, אבל פיזיקאים רציניים קיבלו אותו רק לאחר 12 שנים. אל תאשים אותם שהם שמרנים מדי. העובדה היא שבתחילה תורת הקווארקים סתרה בחדות את עקרון פאולי, אותו הזכרנו ממש בתחילת המאמר. אם נניח שהפרוטון מכיל זוג u-quarks ו-d-quark בודד, אז הראשון חייב להיות בדיוק באותו מצב קוונטי. לדברי פאולי, זה בלתי אפשרי.
אז הופיע מספר קוונטי נוסף, מבוטא כצבע (שגם אותו הזכרנו לעיל). בנוסף, זה היה לגמרי לא מובן כיצד חלקיקים יסודיים של קווארקים מקיימים אינטראקציה זה עם זה באופן כללי, מדוע הזנים החופשיים שלהם אינם מתרחשים. כל הסודות הללו נעזרו מאוד להתיר על ידי תורת שדות המדידה, אשר "הועלתה לראש" רק באמצע שנות ה-70. בערך באותו זמן, תורת הקווארקים של האדרונים נכללה בה באופן אורגני.
אבל יותר מכל, התפתחות התיאוריה נעצרה בשל היעדר מוחלט של לפחות כמה ניסויים ניסיוניים,מה שיאשר גם את עצם קיומם וגם את האינטראקציה של קווארקים זה עם זה ועם חלקיקים אחרים. והם החלו להופיע בהדרגה רק מסוף שנות ה-60, כאשר ההתפתחות המהירה של הטכנולוגיה אפשרה לערוך ניסוי עם "העברה" של פרוטונים על ידי זרמי אלקטרונים. הניסויים הללו הם שאפשרו להוכיח שחלקיקים מסוימים באמת "חבויים" בתוך הפרוטונים, שנקראו במקור פרטונים. לאחר מכן, בכל זאת, הם היו משוכנעים שזה לא יותר מקווארק אמיתי, אבל זה קרה רק בסוף 1972.
אישור ניסיוני
כמובן, היה צורך בהרבה יותר נתונים ניסיוניים כדי לשכנע סוף סוף את הקהילה המדעית. בשנת 1964, ג'יימס ביורקן ושלדון גלשואו (הזוכה לעתיד בפרס נובל, אגב) הציעו שאולי יש גם סוג רביעי של קווארק, שאותו הם כינו "קסם".
הודות להשערה זו, כבר בשנת 1970 הצליחו מדענים להסביר רבות מהמוזרויות שנצפו במהלך ריקבון של קאונים בעלי מטען ניטרלי. ארבע שנים לאחר מכן, שתי קבוצות עצמאיות של פיזיקאים אמריקאים הצליחו בבת אחת לתקן את הריקבון של המסון, שכלל רק קווארק "מקסם" אחד, כמו גם את האנטיקווארק שלו. באופן לא מפתיע, האירוע הזה כונה מיד מהפכת נובמבר. לראשונה, תורת הקווארקים קיבלה אישור "חזותי" פחות או יותר.
החשיבות של התגלית מעידה על כך שראשי הפרויקט, סמואל טינג וברטון ריכטר, כבר עברוקיבלו את פרס נובל במשך שנתיים: אירוע זה בא לידי ביטוי במאמרים רבים. אתה יכול לראות כמה מהם במקור אם תבקר במוזיאון ניו יורק למדעי הטבע. קווארקים, כפי שכבר אמרנו, הם תגלית חשובה ביותר של זמננו, ולכן מוקדשת להם תשומת לב רבה בקהילה המדעית.
טיעון אחרון
רק ב-1976 מצאו החוקרים חלקיק אחד עם קסם שאינו אפס, ה-D-meson הניטרלי. זהו שילוב מורכב למדי של קווארק מוקסם אחד ו-u-אנטיקווארק. כאן, אפילו מתנגדים קשים לקיומם של קווארקים נאלצו להודות בנכונות התיאוריה, שהוצהרה לראשונה לפני יותר משני עשורים. אחד הפיזיקאים התיאורטיים המפורסמים ביותר, ג'ון אליס, כינה את הקסם "המנוף שהפך את העולם".
בקרוב רשימת התגליות החדשות כללה זוג קווארקים מסיביים במיוחד, מלמעלה ותחתית, שניתן היה לתאם בקלות עם שיטת ה-SU(3) שכבר הייתה מקובלת באותה תקופה. בשנים האחרונות, מדענים מדברים על קיומם של מה שנקרא טטרקווארקים, שכמה מדענים כבר כינו אותם "מולקולות האדרון".
כמה מסקנות ומסקנות
עליך להבין שהגילוי וההצדקה המדעית לקיומם של קווארקים אכן יכולים להיחשב בבטחה כמהפכה מדעית. אפשר לראות בה את שנת 1947 (באופן עקרוני, 1943) כתחילתו, וסופו נופל על גילוי המזון ה"מכושף" הראשון. מסתבר שמשך הגילוי האחרון של רמה זו עד כה הוא, לא פחות, עד 29 שנים (או אפילו 32 שנים)! וכל זההזמן הושקע לא רק כדי למצוא את הקווארק! כעצם הקדמוני ביקום, פלזמת גלואון משכה עד מהרה הרבה יותר תשומת לב מצד מדענים.
עם זאת, ככל שתחום הלימוד נעשה מורכב יותר, כך לוקח יותר זמן לגלות תגליות חשובות באמת. באשר לחלקיקים שאנו דנים בהם, אף אחד לא יכול לזלזל בחשיבותה של תגלית כזו. על ידי לימוד מבנה הקווארקים, אדם יוכל לחדור עמוק יותר לתוך סודות היקום. ייתכן שרק לאחר לימוד מלא שלהם נוכל לגלות כיצד אירע המפץ הגדול ולפי אילו חוקים מתפתח היקום שלנו. בכל מקרה, התגלית שלהם היא שאפשרה לשכנע פיזיקאים רבים שהמציאות הסובבת אותנו הרבה יותר מסובכת מרעיונות קודמים.
אז למדת מה זה קווארק. החלקיק הזה עשה פעם רעש רב בעולם המדעי, וכיום החוקרים מלאי תקוות לחשוף סוף סוף את כל סודותיו.
