פיזיקאים יודעים כבר עשרות שנים שחלקיקים המכונים גְלוּאוֹנים מחזיקים את הפרוטונים והנויטרונים שלמים, וכך בעצם מונעים מהם ומן היקום להתפרק. ואולם, עד כמה שזה נשמע מפתיע, הפרטים של אופן פעולת הגלואונים הם עדיין בגדר תעלומה

בקיצור

  • החומר הבונה את עולמנו מורכב ביסודו מחלקיקים המכונים קווארקים, שנצמדים זה לזה על ידי חלקיקים מדביקים, שהוענק להם השם ההולם "גלואונים" (glue – דבק באנגלית). הפיזיקאים צעדו צעדים כבירים בהבנת המנגנונים של קווארקים וגלואונים, אבל כמה תעלומות מבלבלות עומדות בעינן.
  • לא ברור כיצד קווארקים וגלואונים תורמים למסת הפרוטונים והנויטרונים שבאטומים, למשל, או כיצד הם נותנים לחלקיקים האלה ספין. כמו כן, נראה שלקווארקים ולגלואונים יש מטען "צבע" מוזר, בעוד שלפרוטונים ולנויטרונים אין שום מטען צבע.
  • ניסויים עתידיים שיחשפו את אבני הבניין של החומר בפירוט גדול יותר מאי פעם יוכלו לעזור לפיזיקאים להיטיב להבין את האינטראקציות של קווארקים וגלואונים.

היוונים הקדמונים סברו שאטומים הם חלקי החומר הקטנים ביותר ביקום. ואז, מדענים בני המאה ה-20 פירקו את האטום למרכיבים זעירים יותר: פרוטונים, ניוטרונים ואלקטרונים. בשלב הבא התברר שהפרוטונים והנויטרונים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר המכונים קווארקים, הנקשרים זה לזה באמצעות חלקיקים "דביקים", שזכו לשם ההולם "גלואונים" (glue – דבק באנגלית). כיום אנחנו יודעים שהחלקיקים האלה הם יסודיים באמת (כלומר אינם ניתנים לפירוק), אבל מתברר שאפילו התמונה הזאת עדיין אינה שלמה.

בעזרת שיטות ניסיוניות להצצה לתוך פרוטונים ונויטרונים, אפשר לחשוף בתוכם תזמורת סימפונית בנויה לתלפיות. כל פרוטון ונויטרון מורכב משלושה קווארקים ומספר משתנה של גלואונים, יחד עם מה שמכונה "קווארקי ים" (sea quarks): זוגות שמופיעים ונעלמים ללא הרף של קווארקים ובני זוגם העשויים מאנטי-חומר, האנטי-קווארקים. זאת ועוד, פרוטונים ונויטרונים אינם החלקיקים היחידים ביקום העשויים מקווארקים. בניסויים שהתבצעו במאיצי חלקיקים בחמישים השנים האחרונות נוצרו גדודים של חלקיקים אחרים המכילים קווארקים ואנטי-קווארקים. חלקיקים כאלה, שעליהם נמנים גם הפרוטונים והנויטרונים, קרויים "הַדרוֹנים".

ואולם, על אף כל התובנות האלה, ועל אף ההבנה הטובה שיש לנו לגבי האופן שבו קווארקים וגלואונים יחידים מגיבים זה עם זה, הפיזיקאים אינם יכולים, לצערם, לתת הסבר מלא כיצד קווארקים וגלואונים מייצרים את הקשת הרחבה של תכונות והתנהגויות שמפגינים פרוטונים, נויטרונים והדרונים אחרים. לדוגמה, אם נחבר את המסות של הקווארקים והגלואונים שבתוך פרוטון לא נתקרב אפילו למסה הכוללת של הפרוטון, ונישאר עומדים מול התעלומה מנין מגיעה כל המסה החסרה הזאת. יותר מזה, אנחנו שואלים את עצמנו איך בדיוק הגלואונים מסוגלים בכלל לקשור בין הקווארקים, ומדוע נראה שהקשר הזה מסתמך על סוג מיוחד של מטען, הקרוי "צבע", שיש לקווארקים. איננו מבינים גם כיצד הסחרור של הפרוטון, גודל מדיד המכונה ספין, מתהווה מתוך הספינים של הקווארקים והגלואונים שבתוכו: זהו מסתורין, מכיוון שהספין השלם אינו מתקבל מחיבור פשוט של הספינים של החלקיקים הקטנים יותר.

איור הגלאונים - החלקיקים המחברים את הקווארקים ומחזיקים יחד את החומר ביקום. קרדיט: מריה קורטה | Scientific American
איור: מריה קורטה

אם הפיזיקאים יוכלו לענות על השאלות האלה, נוכל סוף-סוף להתחיל להבין כיצד החומר פועל ברמה היסודית ביותר שלו. זיהוי של החידות העיקריות האופפות את הקווארקים והגלואונים, שאותן נפרט כאן, הוא עצמו צעד מכריע לקראת הבנה של פיזיקת החומר לעומקה. עבודה שמתבצעת כעת ושתתבצע בעתיד, הכוללת מחקרים המתמקדים בצירופים אקזוטיים של קווארקים וגלואונים, אמורה לסייע לפוגג את המסתורין האופף את החידות האלה. עם קצת מזל, נצליח בקרוב לפזר את הערפל.

מנין מגיעה מסת הפרוטון?

תעלומת המסה היא אחת השאלות המטרידות ביותר שיש לפיזיקאים, והיא יכולה לפתוח צוהר להבנה מדוע המנגנונים של קווארקים וגלואונים מבלבלים כל כך. אנחנו מבינים טוב למדי כיצד קווארקים ולֶפְּטוֹנים, קבוצת חלקיקים שהאלקטרונים שייכים אליה, מקבלים את המסה שלהם. המנגנון נוצר בזכות בוזון היגס, החלקיק שהתגלה בליווי רעש תקשורתי במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) במעבדת CERN שעל יד ז'נווה ב-2012, ומתוך השדה המקושר אליו, שדה היגס, השורר בכל המרחב. כשהחלקיקים חולפים דרך השדה הזה, התגובות שלהם אִתו משרות עליהם מסה. לעתים קרובות נשמעת האמירה שמנגנון היגס מסביר את המסה של היקום הנראה. אבל הקביעה הזאת אינה נכונה. מסת הקווארקים מסבירה רק שני אחוזים ממסות הפרוטון והנויטרון. אנחנו סבורים שיתרת 98 האחוזים מתהווים בעיקר מפעולות הגלואונים. אבל לא קל לראות כיצד הגלואונים עוזרים ליצור את מסת הפרוטון והנויטרון, מכיוון שלגלואונים עצמם אין מסה.

רמז לפתרון החידה הזאת ניתן לנו על ידי המשוואה המפורסמת של אלברט איינשטיין, המקשרת בין מסת המנוחה של חלקיק לאנרגיה שלו. אם נכתוב את המשוואה בצורה m = E/c2, נראה שאפשר לומר שהמסה (m) של הפרוטון במנוחה נובעת מתוך האנרגיה שלו (E), כשהיא מבוטאת ביחידות של מהירות האור (c). מכיוון שאת מרבית האנרגיה של הפרוטון תורמים הגלואונים, אז בעיקרון כל מה שעלינו לעשות בשביל לחשב את מסת הפרוטון הוא לחשב את האנרגיה של הגלואונים.

ואולם, חישוב אנרגיית הגלואונים הוא משימה מסובכת, בין השאר מכיוון שקיימים כמה וכמה גורמים שתורמים לסך האנרגיה הכוללת שלהם. האנרגיה של חלקיק חופשי (שאינו מקושר לאחרים) היא אנרגיית התנועה שלו. אבל קווארקים וגלואונים כמעט לעולם אינם מבודדים. הם מחזיקים מעמד כחלקיקים חופשיים רק לאורך פרקי זמן קצרים לאין שיעור (פחות מ-3×10-24 שניות), ואז הם נכלאים בתוך חלקיקים תת-אטומיים אחרים שממסכים אותם, פשוטו כמשמעו, ומסתירים אותם מן העין. יותר מזה, במקרה של גלואונים, האנרגיה אינה מגיעה אך ורק מתנועה: היא בלתי נפרדת מן האנרגיה הנובעת מכך שהם קושרים את עצמם ואת הקווארקים יחדיו ויוצרים חלקיקים מאריכי ימים. פתרון תעלומת המסה דורש אפוא הבנה טובה יותר של האופן שבו הגלואונים "מדביקים." אבל גם כאן הגלואונים זורעים מהמורות בפני מי שמנסה לפענח את סודותיהם.

כיצד הגלואונים קושרים?

ברמה אחת, התשובה לשאלה כיצד הגלואונים מדביקים היא פשוטה: הם משתמשים בכוח הגרעיני החזק. אבל הכוח הזה הוא בעצמו מבלבל.

הכוח החזק הוא אחד מארבעת הכוחות היסודיים שבטבע, לצד הכבידה, האלקטרומגנטיות והכוח הגרעיני החלש (שהוא האחראי להתפרקות רדיואקטיבית). עוצמתו היא הגדולה ביותר במידה ניכרת בהשוואה לאחרים, ומכאן שמו. מלבד קשירת קווארקים זה לזה כדי ליצור הַדרונים, הכוח החזק גם קושר פרוטונים ונויטרונים ויוצר מהם גרעיני אטום, כשהוא מתגבר על הדחייה האלקטרומגנטית האדירה השוררת בין הפרוטונים שווי-המטען שבגרעין. לצד כל אחד מכוחות היסוד של הטבע יש ככל הנראה חלקיק, המכונה "נשא הכוח". ממש כשם שפוֹטוֹן, היחידה היסודית של האור, הוא נשא הכוח של האלקטרומגנטיות, כך הגלואון הוא הנשא של הכוח החזק.

עד כאן, הכול טוב ויפה. אבל הכוח החזק פועל לפעמים בדרכים מפתיעות. על פי מכניקת הקוונטים, טווח המרחק שבו פועל הכוח עומד ביחס הפוך למסת נושאי הכוח שלו. לכוח האלקטרומגנטי, לדוגמה, יש טווח אינסופי: אלקטרון חופשי על פני כדור הארץ, יחוש, בעיקרון, דחייה קלה מאלקטרון שבצִדו השני של הירח. פוטונים, נשאי הכוח שבין האלקטרונים, הם אפוא חסרי מסה. בניגוד לאלקטרומגנטיות, הטווח של הכוח החזק אינו חורג מגרעיני האטומים. העובדה הזאת יכולה לרמז על כך שלגלואונים יש מסה גדולה מאוד. אבל נראה שגלואונים הם חסרי מסה.

לכוח החזק יש עוד תכונה משונה: נראה שהמשיכה שהוא מפעיל על קווארקים היא חזקה יותר ככל שהם מתרחקים זה מזה. בניגוד לכך, הכוח האלקטרומגנטי שבין שני מגנטים הוא חזק מאוד כשהם קרובים זה לזה, וחלש יותר כשמרחיקים אותם זה מזה. פיזיקאים צפו בקווארקים לראשונה בשנות ה-60 של המאה ה-20, בניסויים שנערכו במרכז המאיץ הלינארי של סטנפורד (הקרוי כיום מעבדת המאיץ הלאומית SLAC), שבו גרמו לאלקטרונים אנרגטיים להתנגש במטרות פרוטונים. לפעמים האלקטרונים עברו במישרין דרך הפרוטונים, אבל במקרים אחרים הם פגעו במשהו מוצק וניתזו לאחור. המהירות והכיוון של הרתע שלהם חשפו את נוכחותם של קווארקים בתוך הפרוטונים ואת הסידור שלהם שם. הניסויים האלה, שכונו ניסויי פיזור עמוק לא-אלסטי או ניסויי (DIS (Deep Inelastic Scatterin, הראו שהמשיכה בין קווארקים היא קטנה במרחקים קצרים; אבל כשההפרדה גדולה יותר, אי אפשר לראות שום קווארקים חופשיים, והדבר מרמז שכנראה הם מושכים זה את זה בחוזקה.

אם תרצו לדמות לעצמכם כיצד פועל הכוח החזק, דמיינו שני קווארקים קשורים זה לזה בחוטים. כשהם קרובים זה לזה, המתיחות בחוט מתרפה, ונראה שהקווארקים אינם מרגישים שום כוח. כשהם מתרחקים יותר זה מזה, המתיחות בחוט מתגברת ומחברת ביניהם. הכוח הזה שבין קווארקים מקביל למשקל של 16 טונות במרחקים שהם פחות או יותר גודל הפרוטון. אבל מה קורה אם כוח חיצוני פועל כנגד המשיכה של הכוח החזק? החוט נקרע. איך בדיוק מתרחשת קריעת חוט: זוהי תעלומה אחרת שאיננו יכולים להסביר במלואה, והפתרון שלה הוא גורם מרכזי בניסיון להבין כיצד גלואונים מדביקים בתוך גרעיני האטום אבל לא מעבר להם.

מדוע לחלקיקים מסוימים יש צבע?

בשנות ה-70 בנו הפיזיקאים תיאוריה המכונה כרומודינמיקה קוונטית (QCD), שנותנת תיאור מתמטי של הכוח החזק. ממש כשם שהכוח האלקטרומגנטי סובב סביב המטען החשמלי של חלקיקים, כך הכוח החזק, על פי ה-QCD, סובב סביב תכונה הידועה בשם מטען צבע. מושג הצבע אכן עוזר להבהיר מדוע הכוח החזק מתנהג באופן כל כך שונה מן הכוח האלקטרומגנטי, אבל הוא גם מעלה הרבה חידות חדשות, כמו למשל מדוע לחלקיקים מסוימים יש צבע ואילו לאחרים אין, כך שהם נחשבים "עיוורי צבעים".

על פי QCD, גם לקווארקים וגם לגלואונים יש מטען צבע. כל החלקיקים בעלי מטען צבע מגיבים באמצעות חילופי גלואונים, דבר המרמז על האפשרות שלא רק קווארקים אלא גם גלואונים מחליפים גלואונים זה עם זה. ההשלכה הזאת של הכרומודינימיקה הקוונטית היא הבדל גדול מאלקטרומגנטיות: פוטונים אינם מגיבים זה עם זה, כפי שאפשר לראות באופן מוחשי כשמצליבים שתי קרני אור בתוך חדר מאובק. ואולם, פיזיקאים סבורים שאינטראקציות עצמיות של גלואונים הן גורם מרכזי לכך שהכוח החזק נחלש בטווחים קצרים. גלואון יכול להפוך לפרק זמן כלשהו לזוג של קווארק–אנטי-קווארק או לזוג גלואונים, ואז להפוך בחזרה לגלואון יחיד. התנודה שיוצרת זוג קווארק–אנטי-קווארק הופכת את עוצמת האינטראקציה שבין מטעני צבע לחזקה יותר, ואילו התנודה שיוצרת זוג גלואונים מחלישה אותה. מכיוון שתנודות גלואונים כאלה נפוצות יותר מאשר החילופים שמבצעים הקווארקים ב-QCD, הן מנצחות. (הפיזיקאים דייוויד ג' גרוס, פרנק וילצ'ק וה' דייוויד פוליצר זכו בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2004 על התגלית הזאת.)

בעשורים שחלפו מאז הופעת ה-QCD, איששו ניסויים שנערכו בכל רחבי העולם את טענתה של התיאוריה לכתר של אחד מעמודי התווך של המודל הסטנדרטי של הפיזיקה. ועם זאת, פרטים רבים של QCD נותרו חמקמקים. מסקרן להבין למשל מדוע אף על פי שכל אחד משלושת הקווארקים שבפרוטון נושא אחד מתוך שלושה מטעני צבע, אדום, ירוק או כחול, לפרוטון עצמו אין מטען צבע נקי. בדומה לכך, הקווארק והאנטי-קווארק שבהדרון הידוע בשם מֵזוֹן-פָּיי (ולעיתים קרובות מכונה פָּיוֹן) נושאים מטעני צבע, אבל הפיון הוא חסר צבע. ניטרליות הצבע של ההדרונים מקבילה לניטרליות המטען החשמלי של האטומים. אבל בעוד שהעובדה שהמטען הנקי של אטומים הוא אפס היא תוצאה ברורה של קיזוז המטען החיובי של הפרוטונים עם מטענם השלילי של האלקטרונים, לא ברור ב-QCD כיצד קווארקים בעלי מטען צבע וגלואונים בעלי מטען צבע משתלבים זה עם זה ויוצרים הדרונים חסרי מטען צבע.

ה-QCD אמורה להסביר גם כיצד פרוטונים ונויטרונים מתגברים על הדחייה האלקטרומגנטית רבת העוצמה שבין פרוטונים ונצמדים זה לזה בתוך אטומים. אבל על אף התקדמות מסוימת, גזירת הפיזיקה הגרעינית מתוך ה-QCD היא משימה מאתגרת. המכשלה הזאת עומדת בעינה מכיוון שהמשוואות של ה-QCD קשות להחריד לפתרון במרחקים הגדולים שבהם עוצמת האינטראקציה בין קווארקים וגלואונים נעשית חזקה מאוד. ואין לנו הוכחה מתמטית שמראה מדוע משוואות ה-QCD מבטיחות שקווארקים וגלואונים בעלי מטען צבע יהיו כלואים בתחומיהם של הדרונים חסרי צבע. ה"כליאה" (confinement) הזאת היא בעיה של מיליון דולר, פשוטו כמשמעו, כי היא אחת מתוך שש חידות יוצאות מגדר הרגיל שזוהו על ידי מכון קליי למתמטיקה, ושפתרון שלה יזכה את מוצאי התשובה בפרס של מיליון דולר.

מדוע גלואונים אינם מתרבים עד אין סוף?

תוצאה מפתיעה אחרת של QCD היא שמספר הגלואונים והקווארקים שבתוך הפרוטון המוכר יכול להיות מאוד מגוון. מלבד שלושת הקווארקים הבסיסיים, מספרים שונים ומשונים של גלואונים מרפרפים מסביב כמו גחליליות, צצים ומתאיינים כהרף עין, וזוגות של קווארקים ואנטי-קווארקים נוצרים ומתמסמסים; התוצאה היא "קצף קוונטי" של חלקיקים שמופיעים ונעלמים. הפיזיקאים חושבים שכשפרוטונים ונויטרונים מגיעים למהירויות גבוהות מאוד, הגלואונים שבתוך הפרוטונים מתפצלים לזוגות של גלואונים חדשים, שלכל אחד מהם יש קצת פחות אנרגיה ממה שהיה לגלואון האב. הגלואונים הבנים, בתורם, יוצרים עוד גלואונים-בנים עם אנרגיה עוד יותר נמוכה. פיצול הגלואונים דומה למכונת פופקורן שיצאה משליטה. על פי התיאוריה, התהליך יכול להמשיך לנצח – אך אנחנו יודעים שהוא לא נמשך עד אין סוף.

אם ימשיכו הגלואונים להתרבות, המכסה של מכונת הפופקורן יעוף, או במילים אחרות: הפרוטון יהפוך להיות בלתי יציב ויקרוס. מכיוון שהחומר הוא בבירור יציב (והראיה, אנחנו קיימים), ברור שמשהו חייב לרסן את השטף המשתולל הזה, אבל מה? אחד הרעיונות הוא שהטבע מצליח להכריז על מצב של תפוסה מלאה כשמספר הגלואונים נעשה גדול כל כך עד שהם מתחילים לעלות זה על זה בתוך הפרוטון. אינטראקציות עצמיות חזקות גורמות להם לדחות זה את זה, כך שהגלואונים הפחות אנרגטיים מתאחדים מחדש ויוצאים גלואונים יותר אנרגטיים. כשהגידול במספר הגלואונים דועך, הגלואונים מגיעים למצב יציב של התפצלות ואיחוד מחדש המכונה רוויית גלואונים, ומשיב את השליטה למכונת הפופקורן.

מצב רוויית הגלואונים המשוער הזה, המכונה לעתים קרובות עיבוי צבע זכוכיתי, יהיה תמצית מזוקקת של אחד הכוחות החזקים ביותר ביקום. עד כה יש לנו רק רמזים לקיומו, ואיננו מבינים את התכונות שלו במלואן. אם נחקור את המצב הזה באמצעות ניסויי DIS בעלי עוצמה רבה יותר מאלה שאנחנו מסוגלים ליצור היום, יוכלו הפיזיקאים לבחון גלואונים מקרוב במצב הדחוס והקיצוני ביותר שלהם. האם שדה הכוח המגביל את כמות הגלואונים שיכולים להיווצר בתוך עיבוי צבע זכוכיתי הוא אותו שדה כולא ששומר על פרוטונים בשלמותם מלכתחילה? אם כן, צפייה באותו שדה בהקשרים שונים תוכל לספק לנו תובנות חדשות בדבר האופן שבו גלואונים יוצרים אותו.

מנין מגיע הספין של הפרוטון?

תעלומה נוספת באשר לקווארקים ולגלואונים היא כיצד הספין שלהם תורם לספין הכולל של חלקיק האב שלהם. לכל ההדרונים יש ספין, שדומה לאנרגיית הסיבוב של סביבון החג סביב צירו. הדרונים עם ספינים שונים ינקפו ויתפתלו בכיוונים שונים זה מזה בשדות מגנטיים חזקים.

ניסויים שמדדו את הספין של פרוטון מראים שקווארקים מייצרים בערך 30% מן הספין הכולל שלו. היכן שוכן יתר הספין? התמונה מרובת הגופים של הפרוטון, בתור ים רוחש קווארקים וגלואונים, מעלה מיד את האפשרות שייתכן שאת יתר הספין תורמים הגלואונים. אבל בניסויים שבהם הטיחו פרוטונים מקוטבים (שהספין שלהם מצביע בכיוון תנועתם או בניגוד לו) בפרוטונים מקוטבים אחרים מראים שהספין של הגלואונים מרכיב רק כ-20% מספין הפרוטון, כלומר ש-50% מן הספין עדיין נעדרים.

מקבילה מתחום הגופים השמימיים יכולה להתוות פתרון אפשרי. התנע הזוויתי של מערכת השמש מורכב מסכום הספינים של כוכבי הלכת החגים סביב ציריהם, ושל תנועתם במסלול מסביב לשמש. קווארקים, אנטי-קווארקים וגלואונים הכלואים בתחומי הפרוטונים יכולים גם הם לנוע במסלול. כדי שנוכל להבין עד כמה משמעותית התנועה הזאת במסלול, עלינו למפות גם את המהירויות וגם את המיקומים של קווארקים וגלואונים בתוך פרוטון. אחד מאִתנו (אנט) מעורב בעריכת ניסויי DIS עם אלומות אלקטרונים בעוצמה רבה מאוד שנועדו למטרה זו. מבחינת רמת הפירוט שלנו, אנחנו נעים ממצב של תמונות יחידות לקראת אפשרות של סרטונים תלת-ממדיים של החומר במרחקים תת-פֶמְטוֹמֶטריים (פחות מ-10-15 מטרים).

מצבי חומר אקזוטיים

כדי להבין את טבען האמיתי של אינטראקציות קווארקים וגלואונים, אסור לנו להסתפק במחקר של התצורות המוכרות שלהם בתור פרוטונים, נויטרונים וחלקיקים אחרים שאנחנו מכירים היטב, אלא עלינו לחקור את כל הצורות האפשרויות שלהם. ה-QCD מאפשרת קיום של מצבי הדרונים אקזוטיים מעבר לפרוטון ולנויטרון. הדמיות מעלות את האפשרות שייתכן שקיימים הדרונים חסרי צבע אחרים, כמו למשל "כדורי דבק" (המכילים אך ורק גלואונים), "מולקולות" המורכבות משני זוגות קווארק–אנטי-קווארק או ישויות כלאיים המסווגות בתור מצבים קשורים של קווארק–אנטי-קווארק–גלואון. הראיות הניסוייות להדרונים האקזוטיים האלה מצומצמות: עד כה, זוהו רק כמה מועמדים ספורים למולקולות ארבע-קווארקיות. אבל ייתכן שהמצב הזה עומד להשתנות במידה רבה, בזכות כמה ניסויי חיפוש הנערכים ברחבי העולם. בייחוד, מתקן ייעודי המכונה GlueX מתחיל לפעול במתקן המאיץ הלאומי ע"ש תומס ג'פרסון שבניופורט ניוז שבווירג'יניה.

פיזיקאים גילו לאחרונה עוד מצב קיצוני של חומר המכונה פלזמת קווארקים-גלואונים. המצב הזה נוצר כשגרעיני אטומים מתנגשים זה בזה במהירות קרובה למהירות האור. התיאורטיקנים חושדים שכשהפרוטונים והנויטרונים המהירים משני הגרעינים מתנגשים זה בזה, עיבוי הצבע הזכוכיתי שלהם מתנפץ, שובר את כליאת הקווארקים והגלואונים ומשחרר את אנרגיית העיבוי כך שנוצר נחיל קדחתני של קווארקים וגלואונים. הפלזמה הזאת היא החומר החם ביותר שנוצר מעולם על פני כדור הארץ, בטמפרטורה של יותר מארבעה טריליון מעלות צלזיוס. אחת התופעות המרשימות היא שהחומר הזה זורם כמעט בלי שום התנגדות: ההתנגדות שלו נמוכה פי 20 לפחות מאשר ההתנגדות של מים.

פלזמת הקווארקים-גלואונים דומה מאוד ליקום המוקדם. המדענים במעבדות שיצרו פלזמות כאלה, המאיץ היחסותי של יונים כבדים שבמעבדה הלאומית ברוקהייבן וה-LHC של CERN, צופים כעת בנוזלים הזעירים ביותר והמושלמים ביותר בעולם. בזכות התצפית בפלזמות כאלה כשהן מתקררות, שניים מאִתנו (ונוגופלן ואולריך) ואחרים לומדים כיצד היקום התפתח. ובאמצעות הִנדוּס של הריסת פרוטונים ונויטרונים והפיכתם לפלזמה באופן הזה, החוקרים יכולים לחקור את הכליאה במהופך, בתקווה לפענח את סודות ההידבקות של קווארקים וגלואונים זה לזה.

הדרך קדימה

המטרה האידאלית של הפיזיקאים היא למפות מיפוי מלא של המיקומים, התנועות והספינים של גלואונים וקווארקים בתוך פרוטונים ונויטרונים. מפות כאלה יעזרו לנו לחשב את התרומות של קווארקים וגלואונים למסה ולספין הכוללים של חלקיקי האב שלהם. המפות האלה יפתחו צוהר חסר תקדים לפעילויות של קווארקים וגלואונים שקושרות פרוטונים ונויטרונים זה לזה. בניית תמונות כאלה דורשת פֶמְטוֹסקופ קווארק-גלואוני: מכשיר DIS המקביל למיקרוסקופ שיוכל להציץ פנימה לתוככי היקום בקני מידה קטנים עד כדי אלפית רדיוס הפרוטון. בארה"ב, מעבדות ג'פרסון וברוקהייבן מחפשות מימון ואישור לפמטוסקופ שבו יתנגשו אלקטרונים עם פרוטונים מקוטבים וגרעיני עופרת. בניגוד לניסויים קודמים שבהם הטיחו אלקטרונים מהירים במטרות גרעיניות נייחות, במכונה הזאת שני סוגי החלקיקים יואצו למהירות קרובה למהירות האור ורק אז יוטחו ראש בראש.

פרויקט מאיץ האלקטרונים-יונים (EIC) יגיע לרמות עוצמה שאין דומה להן, ומשמעות הדבר היא שהחלקיקים באלומות המתנגשות יהיו צמודים כל כך זה לזה, ובמספרים גדולים כל כך, עד שההתנגשויות יתרחשו בתדירות גבוהה יותר מאי פעם. העלייה במספר ההתנגשויות, עד פי 1,000 יותר מאשר במאיצי DIS קודמים, תאפשר לחוקרים ליצור הרבה מאוד תמונות בדידות של קרבי הפרוטונים והנויטרונים.

במהלך ארבעת העשורים שחלפו מאז ניסוח הכרומודינמיקה הקוונטית, התקדמו הפיזיקאים כמה וכמה צעדים בהסבר מדוע הכוח החזק מתנהג כפי שהוא מתנהג ובהבנה היכן מצויים הפערים בידע שלנו על דינמיקות של קווארקים וגלואונים. ואולם, טרם הצלחנו למלא את החלקים החסרים שיאפשרו לנו ליצור תמונה פשוטה ורהוטה של האופן שבו גלואונים מדביקים. הטכנולוגיות המפותחות כיום מעניקות לנו תקווה שכשיחלפו 40 שנים נוספות, נפצח סוף-סוף את המסתורין העמוק, כיצד בנוי החומר ברמה היסודית ביותר.

לקריאה נוספת

  • Reliable Perturbative Results for Strong Interacions? H. David Politzer inPhysical Review Letters, Vol. 30, No. 26, pages 1346-1349; June 25, 1973
  • Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories. David J. Gross and Frank Wilczek in Physical Review Letters, Vol. 30, No. 26, pages 1343-1346; June 25, 1973
  • המיקרו-שניות הראשונות, מייקל ריורדן וויליאם א' זייק, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אוגוסט-ספטמבר 2006
מאמר זה פורסם בעיתון Scientific American ותורגם ונערך בידי רשת אורט ישראל

 

0 תגובות