האתר האנגלי

4 10 2011

בשנה האחרונה אני מפרסם כתבות בנושא זה באתר באנגלית. האתר האנגלי מכיל הרבה יותר חומר, ולמעשה רוב החומר שם איננו קיים בעברית.

כתובת האתר היא:
nohiggs.wordpress.com

תודה!





חוקי שימור במודל של קומאי

10 07 2010

כידוע קיימים בפיזיקה מספר חוקים חשובים הנקראים "חוקי שימור", הידועים ביניהם הם חוק שימור האנרגיה וחוק שימור התנע. הפיזיקה מכירה בחוקי שימור נוספים.

חוקי שימור המטען החשמלי והמגנטי
אחד מחוקי השימור בתהליכים פיזיקאליים הוא חוק שימור המטען החשמלי, הקובע שהמטען החשמלי נשמר בכל התהליכים בטבע. חוק זה שימש את מקסוול כאבן הפינה שעליה הוא בנה את משוואותיו המפורסמות.

על פי המודל של קומאי, לקווארקים יש מטען מגנטי, ומכיוון שמטען זה אנלוגי למטען החשמלי, והמשוואות המקיימות מערכות של מטענים מגנטים אנלוגיות למשוואות האלקטרומגנטיות של מקסוול. אמור להתקיים גם חוק שימור המטען המגנטי. לכל הקווארקים מטען מגנטי בגודל יחידה שלילית, ולאנטיקווארקים מטען מגנטי בגודל יחידה חיובית.

חוק שימור המטען המגנטי מכניס אילוץ נוסף, ומתברר, שכל התהליכים הידועים שניצפו עד כה מקיימים אותו. למעשה, מספיק יהיה למצוא תהליך אחד אשר לא שומר על חוק זה, כדי לערער את מודל הכוחות החזקים של קומאי.

חוק שימור מספר הבריונים
על פי הניסיונות, מתקיים בכל התהליכים בטבע חוק שימור מספר הבריונים (פרוטון וניוטרון הינם דוגמאות לבריונים). על פי המודל של קומאי, כלל זה נשמר משום שבכל בריון יש ליבה, ומספר הבריונים הוא כמספר הליבות. הליבה מכילה גם אלמנט שאיננו קווארק והוא נושא מטען מגנטי חיובי. ניתן להרוס אלמנט זה רק על ידי הפגשתו עם אנטי-ליבה הנמצאת באנטי בריון. הריסה הדדית של ליבה עם אנטי-ליבה שומרת על המספר הבריוני

ישנן תיאוריות אשר רובן ממוקמות "מעבר למודל הסטנדרטי", הגורסות שקיימים תהליכים בטבע אשר אינם שומרים על מספר הבריונים. אחת התוצאות שלהן נקראת proton decay אשר שייכת למודל של גיאורגי וגלשואו, וגורסת שהפרוטון עשוי להתפרק לפיי-מזון ופוזיטרון. על פי המודל הסטנדרטי עשויים להיות גם תהליכים שבהם שלושה בריונים הופכים לשלושה אנטי-לפטונים. מרבית התיאוריות האלו, אשר לא שומרות על מספר הבריונים, גורסות שההפרש בין מספר הבריונים למספר הלפטונים הוא הגודל שנשמר.

למרות החיפושים הרבים שהושקעו במציאת תופעות של התפרקות הפרוטון לא נמצאה תופעה זו בטבע, וגם לא שום תהליך אחר אשר מפר את חוק שימור מספר הבריונים, בדיוק כפי שצופה המודל של קומאי. השאלה האם הפרוטון מתפרק נחשבת כיום לאחת הבעיות התיאורטיות הפתוחות החשובות בפיזיקה.

Strong CP Problem
תהליך פיזיקלי שומר על זוגיות אם הוא יתבצע באופן זהה גם ב"עולם ראי", שבו שמאל וימין הפוכים. (סימטריה זו מסומנת באות P). אינטראקציות אלקטרומגנטיות אכן שומרות על הזוגיות, כפי שנובע ממשוואות מקסוול. הכוח החלש, לעומת זאת, אינו שומר על זוגיות כפי שהתגלה כבר בשנות החמישים.

סימטריה נוספת מכונה "צימוד המטען" (מסומנת באות C). היא טוענת ששתי מערכות סגורות הזהות בכל, פרט לכך שכל המטענים של האחת הפוכים לאלה של השניה, תתנהגנה באופן זהה.

הניסוח המקורי של תיאורית QCD אמור היה לשמור על C, P ולכן גם על הצירוף CP. אולם תיאורית QCD משולבת במבנה תיאורטי רחב יותר, "המודל הסטנדרטי". מסתבר כי שכנות זו הדביקה אותה בתהליכים היפותטיים אשר אינם שומרים על [1] CP. מסיבה זו מופיע בנוסחאות של קיו סי די, פרמטר המכונה "טטא", אשר משיקולים שונים שיערו שגודלו יהיה בערך 1. על פי נוסחאות קיו סי די, פרמטר זה, אם הוא שונה מ-0, גורם להפרה של הזוגיות בתהליכים של הכוחות החזקים.

אולם מסתבר, שעל פי כל הניסיונות שנערכו עד כה, שומרים הכוח החזק והכח האלקטרומגנטי על זוגיות ועל צימוד המטען, ברמת דיוק של כעשר ספרות לפחות. עבור חסידי המודל הסטנדרטי מהוות תוצאות אלו בעייה הנקראת Strong CP Problem. בעייה זו נחשבת לאחת הבעיות הבלתי פתורות החשובות בתחום החלקיקים האלמנטרים.

על פי המודל של קומאי, מכיוון שהכוח החזק הינו מגנטי, הוא בעל נוסחאות אנלוגיות לכוח החשמלי ולכן תהליכים חזקים אמורים לשמור גם על הזוגיות וגם על צימוד המטען. מודל זה איננו משולב ב"מודל הסטנדרטי" ולכן אין הוא סובל משכנות זו. למעשה, אילו היה נמצא בניסיונות שהכוח החזק אינו שומר על זוגיות, כפי שצפו תומכי קיו סי די, היה המודל של קומאי נסתר.

באתר זה מתוארות שפע של סתירות של QCD כמות שהיא. כאן מסתבר כי QCD "סובלת" גם משכניה למודל הסטנדרטי, אשר מאלצים אותה לטעון לתחזיות משונות (כמו Strong CP Violation) אשר אין להן אחיזה במציאות.

I. I. Bigi and A. I. Sanda, CP violation, Cambridge, University Press, 2000. p. 269 .1





תוכן עניינים

7 06 2010

אתר זה מתאר את הכשלים של חלק מהמודל הסטנדרטי, הנקרא QCD, ומציע תיאוריה חליפית המסבירה תוצאות ניסיוניות באופן הרבה יותר פשוט ומוצלח.

סדר קריאת הכתבות המומלץ הינו סדר הופעתן כאן. פיזיקאים יכולים לדלג על הכתבה הנקראת "מונחים" אשר אין בה עבורם שום חידוש. שאר הכתבות מכילות חומר חדש גם עבור פיזיקאים, למרות שהן כתובות בסגנון פופולרי.

הקדמה
– רקע
– מטרת האתר
קיו סי די מול המודל של קומאי
– השוואה בין המודל של קומאי לבין המודל הסטנדרטי
מונחים
– מונחים בסיסיים בתורת הקוואנטים
שלוש תופעות בלתי מוסברות
– מודל טיפת הנוזל
– מדוע הכוח החזק מפסיק לפעול ( cutoff )
– הסבר לצפיפות הקבועה של הנוקליאונים בגרעין האטום
– הסבר לאפקט אי אם סי הראשון
– הסבר לדימיון בגרף הפוטנציאל של ון דר ואלס ושל הכוחות הגרעיניים
מה אומרות התיאוריות
– הבסיס של התיאוריה של קומאי
– הבסיס של קיו סי די
מונופולים מגנטיים
– תופעת הדימיון בין הפרוטון לניוטרון המופגזים בפוטונים
– מדוע תיאוריית וי אם די לא מסבירה אפקט זה
– המונופולים של דיראק
– המונופולים של קומאי
– כיצד מוסבר האפקט על ידי המונופולים של קומאי
עוד הוכחות לקיום מונופולים מגנטיים
– דיפול מגנטי אקציאלי
– דיפול חשמלי אקציאלי
– תופעת הכוח הטנזורי בדיוטרון
– הסבר לתופעה
עוד הוכחות לכוחות דחייה בפרוטון
– מדוע האנטיקווארק הינו בחלקו החיצוני של הפרוטון
– הסבר לפיזור המטען בניטרון
תחזיות כושלות של המודל הסטנדרטי
– דיבריונים
– כדורי דבק
– פנטקווארקים
– חומר מוזר
יש עוד משהו בתוך הפרוטון
– מדוע חתך הפעולה מוכיח קיום ליבה מסיבית בפרוטון
רדיוס הבריונים גדול מדי
– כיצד מוסבר רדיוס הבריונים והמזונים במודל של קומאי
חשבון פשוט
– כיצד מוסברת מסת הבריונים והמזונים במודל של קומאי
ויגנר, רקח ושלושת הקווארקים
– הסבר לחלקיקים אומגה מינוס ודלתא++
– הסבר למשבר הספין של הפרוטון
כליאה וחופש אסימפטוטי
– הסבר לתופעת הכליאה והחופש האסימפטוטי
– מדוע מזונים לא כלואים בפרוטון
– ניסוי שלושת הסילונים
– אלו חלקים של קיו סי די אינם מאותגרים על ידי המודל של קומאי
להכריע בין התיאוריות
– מדוע המודל של קומאי מסביר טוב יותר ממצאים ניסיוניים
– מדוע המודל של קומאי מושתת על יסודות סבירים יותר
מדוע אין היגס
– מדוע משוואת חלקיק יוקאווה איננה נכונה
– מדוע משוואת קליין גורדון איננה נכונה
– מדוע משוואת חלקיק היגס איננה נכונה
– הערה לגבי הבזונים W ו Z
תקציר המודל של קומאי
פרדיקציות
– מספר פרדיקציות אשר רובן סותרות את המודל הסטנדרטי
אתגר לפיזיקאים
– משוואת חלקיק יוקאווה
– בעיה בעקרון הכיול כפי שהוא מיושם באלקטרודינמיקה





להכריע בין התיאוריות

6 06 2010

המודל של קומאי ו-QCD מתארים את הכוחות החזקים באופן שונה מהותית. המודל של קומאי מבוסס על התיאוריה הרגולרית של המונופולים המגנטים ומתאר כל נוקליאון כבעל ליבה מסיבית המושכת אליה את הקווארקים, בדומה לגרעין האטום המושך אליו את האלקטרונים. QCD מתאר נוקליאון ללא ליבה, כאשר הכוחות הפועלים בין הקווארקים הינם כוחות משיכה. ננסה לראות מי מהתיאוריות סבירה יותר.

איזו תיאוריה מתאימה יותר לממצאים ניסיונים
QCD לא מספק הסבר למספר תכונות הקשורות לדימיון בין הכוח הגרעיני לבין כח ון דר ואלס, כפי שמוכח מהדמיון העצום בגרף הפוטנציאל של שני כוחות אלה, אין לו הסבר לצפיפות הקבועה של הנוקליאונים שבגרעינים ולאפקט EMC הראשון. כל התכונות האלו מתקבלות באופן טבעי ומיידי מהמודל של קומאי. בנוסף לכך, ועל מנת להסביר את האופי השיורי של הכח הגרעיני, גורסת QCD שהכוח הפועל בין הקווארקים הנמצאים בנוקליאונים שבגרעין האטום מופסק באופן שרירותי, מבלי להסביר את מקור ההפסקה הזו, ואילו מהמודל של קומאי ההפסקה נובעת באופן טבעי מאפקט המיסוך.

QCD איננו מספק הסבר לתכונות הקשורות למהותו של הכוח החזק: הוא איננו מסביר את עוצמת האינטראקציה בין פוטונים אנרגטיים לנוקליאון, ואת הדמיון בהתנהגות הפרוטון והניוטרון כאשר פוטונים אנרגטיים פוגעים בהם. הסבר לתופעות אלו נובע מיידית מהמודל של קומאי, המתאר את הקווארקים כמונופולים המקיימים את התורה הרגולרית. כמו כן, לא ברור כיצד יסביר QCD את מקורו של הכוח הטנזורי בדיוטרון. אצל קומאי מתקבל הסבר מיידי הנובע מכך שהקווארקים הם מונופולים מגנטים.

QCD איננו מספק הסבר להימצאותו של האנטיקווארק בחלק חיצוני יותר של הנוקליאון, וגם לא לעובדה שהמטענים השליליים נוטים להימצא בצד החיצוני של הניוטרון. שתי תכונות אלו נובעות מיידית מהמודל של קומאי אשר מתאר את כוחות המשיכה-דחייה בין הקווארקים, האנטיקווארקים והליבה. גם ההסבר של קיו סי די לתופעת הכליאה נראה לא נכון, משום שבמצב שבו קווארקים ואנטיקווארקים מתנהגים כאילו "כולם מושכים את כולם" לא ברור כיצד מזונים אינם כלואים בתוך הפרוטון.

QCD איננו מספק הסבר סביר לממצאים המעידים שיש ליבה משמעותית בנוקליאונים: רוב המומנטום איננו בקווארקים הידועים. הנימוק שהגלואונים נושאים את יתרת המומנטום הוא מאולץ וניתן רק לאחר מעשה, כאשר התברר שהקווארקים הידועים אינם נושאים את כל המומנטום. בנוסף לכך, העליה בגרף חתך הפעולה בהתנגשות בין פרוטונים אנרגטים, כפי שנמדד בעשור האחרון, מראה שיש ליבה לא טריביאלית בפרוטון. המודל של קומאי מספק הסבר מיידי לתופעות אלה. כמו כן, קיימות תופעות נוספות התומכות בכך שיש ליבה מסיבית בפרוטון, כמו היחס בין הרדיוס של בריונים ומזונים תואמים, והיחס בין מסות של בריונים ומזונים תואמים. תופעות אלו תואמות את המודל של קומאי ולא ברור כיצד יכול QCD להסביר אותן.

על פי QCD אמורים היו להתגלות מספר חלקיקים וחומרים כמו חומר מוזר, פנטקווארקים, וכדורי דבק אשר לא התגלו על אף החיפושים המרובים שנערכו אחריהם במשך עשרות שנים. מהמודל של קומאי נובע שעצמים אלה פשוט לא קיימים.

על פי QCD הייתה אמורה להתקיים הפרה של הזוגיות בתהליכים חזקים, אך הפרה זו לא קיימת כפי שצופה המודל של קומאי.

QCD מסביר את קיומם של החלקיקים אומגה מינוס ודלתא++ על ידי תוספת לעקרון פאולי, ולא מתייחס כלל לקיומם של קונפיגורציות רבות בפרוטון המסבירות חלקיקים אלו. אולם העובדה ש"משבר הספין של הפרוטון" (המוסבר מיידית על ידי קיומן של קונפיגורציות) נותר בעייה בלתי פתורה, מטילה ספק בנכונות ההסתכלות של המדענים על נושא זה.

איזו תיאוריה בנוייה על יסודות סבירים יותר
כבר במאה ה 14 הגה הנזיר הפרנסיסקאני וויליאם איש אוקאם כלל אינטואיטיבי, "התער של אוקאם", המשווה בין שתי תיאוריות המסבירות תופעות. כלל זה גורס כי בבואנו לשפוט שתי תאוריות המסבירות תופעה, יש להעדיף את התיאוריה הפשוטה מבין השתיים. כלאמר, נעדיף תאוריה הנשענת על מספר מועט יותר של הנחות חדשות, והדומה יותר לתאוריות מבוססות, הידועות כנכונות.

המודל של קומאי מניח מספר הנחות. הוא מניח שעיקרון הואריאציה תקף עבור המונופולים המגנטיים. עיקרון הואריאציה ידוע כבר מאות שנים, והרבה לפני קומאי נעשה בו שימוש מהותי במכניקה, בתורת החשמל ובמכניקת הקוואנטים. מעיקרון זה ובהתאמה עם משוואות מקסוול וכוח לורנץ אשר מקובלות על כל הקהילה המדעית, מתקבלות תכונות המונופולים המגנטיים של קומאי. מודל הכוחות החזקים של קומאי מניח גם שיש בבריונים ליבה בעלת מטען מגנטי בגודל שלוש יחידות ואילו לכל אחד משלושת הקווארקים שבבריון יש מטען מגנטי בגודל יחידה שלילית אחת. באנלוגיה למבנה האלקטרונים באטום, הוא מניח גם שליבה זו כוללת מונופולים בשכבות פנימיות יותר. בהתאמה לנסיון, מניח קומאי כי היחידה האלמנטרית של המונופול המגנטי היא גדולה ממש מהיחידה האלמנטרית של המטען החשמלי. אלו הן ההנחות היחידות בהן משתמש קומאי.

QCD לעומת זאת גורסת שהכוח בין הקווארקים שבבריון הינו כוח משיכה. אנליזה של QCD מראה שכח זה גדל ככל שהקווארקים מתרחקים זה מזה. זוהי תכונה הפוכה לכל כוח בסיסי אחר הידוע לנו בטבע. יתר על כן, על מנת להסביר תופעות נסיוניות ידועות מניחים שכוח זה פוסק במרחק מסויים ללא נימוק תיאורטי המסביר את סיבת ההפסקה הזו. עוד מניחה QCD כי הכוח החזק מורכב משלושה צבעים, תופעה שאין לה אח ורע בפיזיקה. בנוסף לכך, לחלקיקים אשר אינם מכילים את שלושת הצבעים במידה שווה, (האחרונים מכונים חלקיקים "לבנים"), אסור להתקיים בנפרד ולכן הם בלתי ניתנים למדידה במכשירים – גם זהו סוג של איסור שאין לו שום מקביל בפיזיקה. גם QCD מניח כי יחידות המטען הבסיסיות שלו גדולות ממש מיחידת המטען החשמלית. הנחה נוספת – בתוך גרעין הנוקליאונים ישנם גלואונים אשר להם צבע ואנטי צבע, אבל אינם לבנים – ולכן אין אנו יכולים להבחין בהם. כמו כן, קיימת ב-QCD, אנלוגיה למשוואות מקסוול, אולם היא המאופיינת בתוספת של מתימטיקה אשר רמת הסיבוך שלה כל כך גדולה, עד שיש צורך במחשבי על כדי לבצע כמעט כל סוג של חישוב העוסק בכוח החזק.

תופעות נוספות המוסברות על ידי המודל של קומאי
ככל שמודל מסויים מכיל הנחות מועטות יותר, והוא מספק הסבר לתופעות רבות יותר, מתחזקת ההכרה שלנו בנכונותו. לעומת זאת, ככל שלתאוריה יש מספר רב יותר של פרמטרים חופשיים הניתנים לכוונון עם התגלות עובדות חדשות, הרי שהיא חלשה יותר.

והנה, מתקבלות מהמודל של קומאי גם תופעות אשר אמנם אינן עומדות בניגוד ברור לQCD, אך עצם קבלתן ללא הנחות נוספות מהווה תמיכה נוספת בנכונותו.

על פי המודל של קומאי, ניתן להעריך לאיזה מזון יהיה רדיוס גדול יותר כאשר נתונות המסות של הקווארקים המרכיבים אותו. ידוע כבר מהתבוננות בכוח החשמלי, שחלקיק המורכב ממיואון (שהינו כבד יותר מהאלקטרון) ופרוטון הינו בעל רדיוס קטן יותר מפרוטון ואלקטרון. כלומר אם שני חלקיקים בעלי מטענים הפוכים קשורים זה לזה, הרי שרדיוס החלקיק הקשור יהיה קטן יותר אם המסה של החלקיק הבודד הינה יותר גדולה. בדיוק אותה תופעה חייבת לקרות גם במזונים, אחרת היה המודל של קומאי בבעיה. ואכן, והמזונים שעבורם נמדד הרדיוס מתנהגים בדיוק כפי שצופה קומאי: המזון קיי פלוס, למשל, קטן יותר מהמזון פיי פלוס, משום שקווארק s כבד יותר מקווארק d, ובאופן אנלוגי, רדיוס הבריון סיגמא מינוס קטן מרדיוס הפרוטון.

המשמעות של מיעוט בהנחות והתאמה לתחזיות
ההבדל המשמעותי ביותר בין QCD לבין המודל של קומאי, הוא שקומאי טוען שהכוח החזק הינו כוח אנלוגי לכח אחר שהוא בעל מבנה ידוע, הכוח האלקטרומגנטי, ואילו QCD טוען שכוח זה הוא ממין חדש וקשור לחבורה (SU(3 של יאנג-מילס. כדי להגדיר אותו, המציאו מפתחי הQCD נוסחאות ומודלים מתמטיים חדשים. העובדה שאין לכוח החזק על פי QCD שום מקבילה בטבע, נתנה להם חופש עצום, ואפשרות להמציא חוקים חדשים כדי להסביר בדיעבד תופעות שהתגלו בניסיון.

מפתחי הQCD המשיכו לנצל "יתרון" זה. הנה למשל, כאשר חזו את קיומם של הדיבריונים, אך אלו לא התגלו, מצאו נימוק המסביר לכאורה מדוע הדיבריונים לא קיימים. כאשר התגלה שהקווארקים החיצוניים נושאים פחות ממחצית המומנטום של הפרוטון, החליטו שהגלואונים חסרי המסה, שאיננו יכולים לראות ישירות במכשירים, נושאים מומנטום זה.

ולמרות חופש פעולה זה, QCD איננה מסבירה ממצאים רבים אשר הובאו כאן, ואשר חלקם נראים כסתירה בוטה של התיאוריה.

במודל של קומאי, לעומת זאת, יש מספר קטן של הנחות, ואין כמעט חופש פעולה. ואכן, המודל טוען שהכוח החזק הינו אנלוגי לכוח האלקטרומגנטי הידוע היטב. כאן ההבדל העיקרי שבין הכח הקשור למטענים החשמליים לבין הכח החזק הקשור למונופולים מגנטים הוא הגודל של יחידת המטען הבסיסית. מסיבה זו, הרבה דברים הידועים לגבי הכוח האלקטרומגנטי אמורים ללבוש צורה אנלוגית במערכות שמצבן נקבע על ידי הכח החזק.

ולכן, אילו היו מתגלים פנטקווארקים, או חומר מוזר, או כדורי דבק, או שרדיוס הקיי מזון היה גדול מרדיוס הפיי מזון, או שגרף חתך הפעולה בפיזור אנרגטי פרוטון-פרוטון היה ממשיך לרדת, או שהסימן של הכוח הטנזורי היה הפוך מזה הקיים, או שהאנטיקווארקים לא היו נדחקים לחלק החיצוני של הפרוטון, או שאינטראקציות חזקות לא היו שומרות על זוגיות, או שהמומנטום של הקווארקים החיצוניים היה מכיל את כל המומנטום של הפרוטון – אילו רק אחת התופעות האלו ורבות אחרות שצויינו בכתבות שלפניכם, חלקן בניגוד לקונצנזוס מקיר לקיר של קהילת הפיזיקאים, לא הייתה תואמת את המודל של קומאי – היה המודל שלו נופל.

האם היה לו מזל יוצא דופן, או שאולי הוא מציג תיאוריה פיזיקלית נכונה?

אגדת הדיוק של המודל הסטנדרטי
כאשר נוסחה חוזה תופעה מסויימת בדיוק רב, יש לכך השפעה עצומה להערכתנו לגבי נכונות התורה העומדת מאחוריה. משוואת דיראק, למשל, חוזה תופעות בדיוק של ארבע עד שש ספרות. תורת השדות העלתה את הדיוק במקרים רבים ליותר מעשר ספרות עשרוניות. התאמות אלו מהוות עבורנו הוכחה מכרעת לתקפותן של תורות אלו, אשר היו ידועות לפני הופעת המודל הסטנדרטי.

בהגדרת ערך "המודל הסטנדרטי" בויקיפדיה, נכתב שהמודל הסטנדרטי "תואם בדייקנות את הניסויים הנערכים בתחום החלקיקים האלמנטרים." באתרים רבים באינטרנט יש המייחסים למודל דיוק מדהים של ספרות רבות. ה"מנטרה" הזו מוכרזת כמעט בכל פינה של עיתון פיזיקאלי כלשהו.

לפני שאמשיך, אזכיר שלא כל המודל הסטנדרטי נמצא כאן תחת ביקורת, אלא בעיקר QCD, ואזכיר גם שQCD מהווה חלק משמעותי למדי מהמודל.

עיון בערך של QCD בויקיפדיה חושף את העובדה הבאה, העומדת בסתירה ל"מנטרה":

"Quantitative tests of non-perturbative QCD are fewer, because the predictions are harder to make. The best is probably the running of the QCD coupling as probed through lattice computations of heavy-quarkonium spectra. There is a recent claim about the mass of the heavy meson Bc [4]. Other non-perturbative tests are currently at the level of 5% at best."

המיעוט בתחזיות הפיזיקאליות מדידות נובע מרמת הסיבוך של QCD, אבל אפילו לתחזיות מעטות אלה רמת שגיאה גדולה למדי.

בענין זה כדאי לציין כי כבר היו בעבר תיאוריות אשר הציגו חישובים מדויקים למדי, כמו התיאוריה האטומית של בוהר-זומרפלד, ואשר נזנחו כאשר הופיעה תיאוריה מוצלחת יותר. הרשימה הארוכה של כישלונות קיו סי די אשר מוצגת באתר זה מטילה ספק רב בטיבם של חישובים התומכים בתיאוריה זו.

תחזיות
לאור השוואה זו, ניתן, לכאורה, לצפות שהקהילה המדעית תכריז של העברת הספרות המדעית העוסקת בQCD לאגף המחלקה להיסטוריה של המדע. אך ניסיון העבר מלמד שמהפכות מדעיות כרוכות בתהליך ארוך, קשה וכואב.

ולכן, כדי לבצע תהליך זה באופן מדורג, ולספק לתומכי QCD את הסולם הדרוש כדי לרדת מהעץ עליו הם נמצאים, מציג קומאי מספר לא מבוטל של תחזיות הסותרות כמעט כולן את המודל הקיים. במיוחד מעניינות התחזיות שלו לגבי הרדיוס של הבריון סיגמא פלוס וההתנגשויות של פיונים, היכולות להיבדק באמצעים הקיימים כבר כיום, אם אכן יושקע מאמץ בביצוע ניסיונות בכיוון זה. QCD, על מנת להתאים עצמו לתוצאות המתקבלות מהפצצה של בריונים, היה צריך לבצע "התעמלות" לא קטנה, משום שעל פי QCD אין לבריונים חלקיקים מסיביים פרט לקווארקים. כך, למשל, QCD מייחס לגלואונים חסרי המסה את המומנטום של רוב הבריון. כאשר יתבצע ניסוי דומה בפיון, שם אנחנו בטוחים שלגלואונים לא תהיה שום השפעה על המומנטום, עשוי סוף סוף להתעורר בליבם ספק בעניין התירוץ שסיפקו בזמנו לכך שחלק גדול מהמומנטום של הפרוטון הינו בגלואונים הנסתרים. כאשר, כפי שאנחנו בטוחים, גרף חתך הפעולה בהתנגשות פיונים ירד עם העליה באנרגיה, תופעה המנוגדת למה שקיים בפרוטונים, יתכן שירד האסימון, ויבינו סוף סוף שאכן יש חלקיקים מסיביים נוספים בתוך הפרוטון.

ההנמקה ההיסטורית
אחת השאלות המרכזיות שכל קורא שואל את עצמו, היא איך יתכן שקהילה של מדענים, אשר אין ספק שרובם הגדול אנשים חכמים ואפילו חכמים מאוד, אוחזים בתיאוריה אשר לגביה נטען כאן שהיא מלאת חורים ככברה. עצם התמיכה של קהילת המדענים בQCD כמעט ללא עוררין, מחזקת מאוד את התיאוריה הזו בעיני הקורא הנבון. ולכן, ההסבר ההיסטורי, אשר באתר זה ניסינו להמחיש אותו, הינו בעל חשיבות לא קטנה להבנת הסיטואציה.

בעניין זה חשוב להבין שהידע שאנו רוכשים לגבי החלקיקים מהם מורכב הפרוטון גדל ככל שגדלה האנרגיה של מאיצי החלקיקים. בשנות השלושים של המאה הקודמת הניחו שהפרוטון והניוטרון הינם חלקיקים אלמנטריים, והתורה של יוקאווה נועדה להסביר כוח משיכה בלבד אשר דועך במהירות. כאשר התגלו הקווארקים בשנות השישים, ניסה שווינגר לבדוק האם הקווארקים יכולים להיות מונופולים מגנטים, אך הוא היה שבוי במסגרת התיאוריה של דיראק לגבי המונופולים ולכן שלל אפשרות זו. QCD, אשר נבנה בשנות השישים, הניח שהקווארקים החיצוניים הינם החלקיקים המסיביים היחידים, ויוצרי התורה שוב היו צריכים לתאר כוח משיכה בלבד בין הקווארקים. כאשר פירסם קומאי את התיאוריה שלו בשנות השמונים והתשעים, היא נבלעה ברעש האדיר של פרסומים שונים ומשונים, בין השאר של מדענים המחפשים חומרים שאינם קיימים.

רק בתחילת המאה העשרים ואחת הגיעו מאיצי החלקיקים לרמת אנרגיה גבוהה דיה כדי לספק ראיות חותכות לקיומם של אובייקטים מסיביים נוספים בפרוטון. יתכן שהגיע הזמן להכיר בראיות אלה, ולא לחכות שיומצא להן הסבר יש מאין.





כליאה, חופש אסימפטוטי ותופעות אחרות

6 06 2010

ישנן מספר תופעות המוסברות בהצלחה על ידי QCD. נתייחס כאן למפורסמות ביותר, אשר יש הרואים בהן הוכחה לנכונותה של התיאוריה.

כליאה וחופש אסימפטוטי
כאשר מפציצים פרוטונים באלומות אנרגטיות של אלקטרונים מתקבלות שתי תופעות הנראות לכאורה נוגדות זו את זו. מצד אחד, הקווארקים בפרוטון נראים כחופשיים, כלומר כאשר פוגע בהם אלקטרון אנרגטי מאוד, אז אנרגיית הקשר שלהם נראית חלשה מאוד ביחס לאנרגיה של האלקטרון הפוגע. מכאן, לכאורה, סביר שאם האלקטרון הפוגע הינו אנרגטי מספיק, הוא יוכל לנתק את הקווארק מתוך הפרוטון. אולם הניסיון מראה כי לא ניתן לנתק קווארק בודד מתוך הפרוטון, גם באלומות אנרגטיות מאוד.

שתי תופעות אלו, הנקראות חופש אסימפטוטי ( asymptotic freedom ) וכליאה ( confinement ) מוסברות במסגרת QCD על ידי כך שכוח המשיכה הפועל בין הקווארקים מתגבר ככל שהקווארקים מתרחקים זה מזה. רעיון זה מסביר את שתי התופעות, אך הוא מייחס לכוח החזק תכונה הפוכה בהשוואה לכל מה שידוע לגבי כוחות בסיסיים אחרים בטבע. השאלה הנדונה כאן היא האם ההסבר שמספק QCD לתופעות הללו הוא ההסבר היחידי האפשרי.

התכונה אשר על פיה מתנהגים הקווארקים בחופש יחסי לחלקיק הפוגע, ידועה זה מכבר במודל האטום. שם היא נקראת "פיזור קומפטון”, הנוצר כאשר פוגעים באלקטרונים עם פוטונים אנרגטיים. השאלה היא מדוע לא ניתן לנתק את הקווארק מתוך הפרוטון, בעוד שבאטום מצליחים פוטונים אנרגטיים לנתק (כלומר, ליונן) אלקטרונים.

ההסבר של קומאי
ההסבר שמציע קומאי מתבסס על תופעות ידועות. זה מכבר ידוע שכאשר פוגעות אלומות אלקטרונים אנרגטיים בפרוטון, כמעט כל ההתנגשויות הינן התנגשויות לא-אלסטיות, כלומר, יוצרות חלקיקים חדשים.

ידוע שכאשר חלקיק ואנטי-חלקיק שלו נפגשים הם מחסלים זה את זה ומשחררים אנרגיה השווה לסכום המסות שלהם. לשם דיוק, מדובר כאן בסכום המסות בזמן ההתחסלות, אשר יכול להיות גדול מסכום מסות המנוחה שלהם אם יש להם אנרגיה קינטית, או קטן מסכום מסות המנוחה אם יש להם אנרגיית קשר.

באופן דומה מתרחש התהליך ההפוך. במקרה שלחלקיק כלשהו יש אנרגיה רבה, יכולים להיווצר חלקיק ואנטי חלקיק, המורידים את האנרגיה של החלקיק המקורי באופן השקול לאנרגיה של המערכת שנוצרה. במקרה של הפרוטון נוצר בדרך כלל זוג קשור של קווארק-אנטיקווארק, כלומר מזון.

יצירה והריסה של זוגות היא תופעה ידועה בפיזיקה. במקרה של אלקטרון ופוזיטרון, אשר אנרגיית הקשר שלהם קטנה מאד ביחס למסתם, נוצרים אלקטרון ופוזיטרון חופשיים. עבור קווארקים, אנרגית הקשר בולעת את מרבית המסה העצמית, ולכן נוצרים זוגות קשורים, כלומר מזונים.

מה קורה בפרוטון המופגז על ידי אלקטרונים? כאשר הקווארק סופג מהלומה ומתווספת לו אנרגייה רבה, נוצרים, בדרך כלל, מזונים המורכבים מקווארק ואנטיקווארק, ומורידים באופן זה את רמת האנרגייה של הקווארק הנפגע. אילו היה קווארק בודד של הפרוטון מצליח לצאת מתוכו, סביר שהאנרגייה שלו הייתה אלפי MeV. אולם, כדי לייצר פיי מזון, למשל, מספיקים 140 MeV. כך, הרבה לפני שהקווארק יוצא מחוץ לפרוטון, יכולים להיווצר זוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק. במקרה של היווצרות זוג קווארקים הוא יכול גם לחבור לאנטיקווארק של זוג שנוצר. בנוסף, ידוע שהפרוטון כולל זוגות של קווארקים ואנטיקווארקים, וכך יכול הקווארק שהתנגש באלקטרון לספח אנטיקווארק, להפוך למזון ולצאת מחוץ לפרוטון.

כלומר הרבה יותר קל לקווארק בודד לייצר זוגות חלקיקים או להצטרף לאנטיקווארק אשר נמצא ממילא בפרוטון, מאשר להתגבר על מחסום הפוטנציאל שיוצרת הליבה.

ומכאן, ניתן להסביר את התופעות גם ללא שימוש בהסבר שמספק QCD לחופש האסימפטוטי ולכליאה. מה עוד שתכונת ה"כליאה", אשר חייבת להיפסק במרחק מתאים ממרכז הפרוטון, מצריכה הסבר (מלאכותי למדי) מדוע היא נפסקת.

היתרון בהסבר של קומאי – מדוע מזונים לא נכלאים בפרוטון
על פי QCD, לא ברור מדוע זוגות קווארקים אשר נוצרו בהתנגשויות אנרגטיות יכולים להתגבר על ה"כליאה", ולצאת מחוץ לפרוטון. לכאורה, הכוחות המתוארים על ידי QCD אמורים להחזיק גם את זוגות הקווארקים החדשים ב"כלא" בתוך הפרוטון. ככל הידוע לנו, העניין כלל לא נדון. עניין זה נראה כסתירה נוספת של QCD.

ההסבר של קומאי לתופעה הוא פשוט: למזונים יש קווארק ואנטיקווארק, ולכל אחד מטען מגנטי הפוך, ולכן סכום המטענים המגנטיים שלהם מתאפס. מכיוון שהכוח החזק הינו כוח מגנטי, אין הוא מושך זוג אשר המטען המגנטי שלו הינו אפס.

ניסוי שלושת הסילונים
במעבדות פטרה הפגישו אלומות אנרגטיות של אלקטרונים ופוזיטרונים. ההתנגשות של שני חלקיקים אלו מובילה לעיתים להשמדה של שניהם ויצירת אנרגיה גדולה. במצב זה נוצר במקרים רבים זוג של חלקיק ואנטי חלקיק חדשים שנעים בכיוונים מנוגדים. לפעמים זוג זה הוא זוג של מיואון ואנטי-מיואון, אך לעיתים נוצרים קווארק ואנטיקווארק. גם הקווארק וגם האנטיקווארק יוצרים "סילון" של חלקיקים. תהליך זה קורה בגלל האינטראקציה החזקה הפועלת על הקווארקים. מדעני הקיו סי די חזו שלעיתים ייווצרו שלושה סילונים, ולא רק שניים. על פי פרשנותם, הסילון השלישי הוא סילון הנוצר מגלואון. ואכן, התגלה שמדי פעם נוצרים שלושה סילונים בהתנגשויות אלו [1].

לפני שנמשיך ונראה כיצד תופעה זו תואמת את המודל של קומאי, כדאי לשים לב לעניין הבא: כפי שמצויין בספרות, תוצאה נסיונית זו נחשבת להוכחה משמעותית לקיומם של הגלואונים [2]. מאחר שהגלואונים אינם קיימים כחלקיק חפשי, הרי כל ההוכחות הנסיוניות לקיומם הן בלתי ישירות. הקורא מוזמן לשפוט בעצמו האם שלושה סילונים הנוצרים בהתנגשות של אלקטרון ופוזיטרון מספיקים גם כדי לקבל את הגלואונים יחד עם כל תיאוריית QCD והנחותיה הפנטסטיות וגם כדי להשלים עם שלל הסתירות הנסיוניות של תיאוריה זו, אשר חלקם נדון באתר זה.

תהליך ידוע מתורת החשמל נקרא "ברמשטראלונג" והוא תהליך המביא לפליטת פוטון באינטראקציה בין מטענים חשמליים. התהליך במטענים חשמליים הוא חלש יחסית משום שהוא תלוי בחזקה הששית של המטען. (לפי שיטת היחידות המקובלת בחישובים, ריבוע המטען החשמלי הוא 1/137.) באופן כללי ניתן לתאר את QCD כהכלאה של תורת החשמל עם מבנה מתימטי מסובך מאד. בין היתר, הגלואון של QCD אנלוגי לפוטון של תורת החשמל. כך העבירו מדעני QCD את רעיון הברמשטראלונג למסגרת QCD והשתמשו בו כדי לחזות פליטה של גלואון.

אולם, השימוש בברמשטראלונג תופס לגבי המודל של קומאי. תהליך זה יוצר פליטה של פוטון אנרגטי, משום שהקווארקים הינם מונופולים מגנטיים אשר ריבוע המטען המגנטי שלהם גדול פי 100 בערך מהמטען החשמלי. וכך, באופן אנלוגי לחלוטין לתהליך החשמלי שבו נפלט פוטון, נפלט כאן פוטון בסבירות הרבה יותר גבוהה. כאן מופיע היתרון בהסבר של קומאי: הרי כבר ידוע במשך קרוב לחמישים שנה שפוטונים אנרגטיים מעורבים באינטראקציות חזקות – כזכור מאותו הסבר לקוי של תיאוריית ה VMD. וזהו בדיוק הפוטון האנרגטי אשר יצר את הסילון השלישי בפטרה.

אפשר לראות, שאצל קומאי העניין מתקבל באופן טבעי ממה שידוע זה מכבר: הברמשטראלונג המקורי התייחס לפוטונים וגם כאן מדובר בפוטון; התופעה המקורית משתמשת בנוסחאות של מטענים חשמליים, וכאן מדובר בקווארקים שהם מונופולים מגנטיים המקיימים נוסחאות אנלוגיות לתורת החשמל. ובנוסף, מדובר בתופעה הידועה זה זמן רב ואינה מצריכה הנחות חדשות, והיא שפוטונים אנרגטיים משתתפים באינטראקציות חזקות.

תופעות נוספות
ל-QCD מיוחסות מספר עבודות פיזיקאליות בלתי תלויות, אשר לדעת קומאי הינן נכונות. כך למשל, עבודתם של ריצרד פיינמן וג'יימס ביורקן, אשר הובילה לניסויים ב-SLAC בשנת 1969 שסיפקו אישור נוסף לקיומם של הקווארקים, נראית לקומאי כעבודה טובה ובעלת חשיבות היסטורית משמעותית, שהרי מבנה ההדרונים שמציע קומאי מושתת על קווארקים כאלה. גם תהליך דרל-יאן, המיוחס לפעמים ל-QCD, נראה לקומאי כעבודה טובה.

עבור פיזיקאים המעוניינים להבין באופן מתומצת את ההקבלה בין QCD והמודל של קומאי, ולהסיק מכך אלו חלקים בQCD מאותגרים על ידי המודל של קומאי, ניתן לסכם את הדברים כך: QCD היא תורה פיסיקאלית המתקבלת מהלגראנז'יאן של QCD. זוהי הרחבה (מסובכת מאד) של התורה האלקטרומגנטית לחבורת יאנג-מילס המכונה (SU(3. לעומתה מציע קומאי מבנה דואלי לתורה האלקטרומגנטית שבו מונופולים מגנטים (בעלי יחידת מטען אלמנטרית גדולה יחסית) ממלאים את תפקיד המטען. המערכת מקיימת את התיאוריה הרגולרית של מטענים ומונופולים והיא מתקבלת מלגראנז'יאן רגולרי [3,4].

http://cerncourier.com/cws/article/cern/39747 .1
http://en.wikipedia.org/wiki/Gluon .2
http://www.tau.ac.il/~elicomay/nc84.pdf .3
http://www.tau.ac.il/~elicomay/nc95.pdf .4





עוד הוכחות לקיום מונופולים מגנטיים

24 05 2010

ידוע מתורת החשמל שכאשר אלקטרונים נעים לאורך טבעת מתפתח שדה מגנטי ומשטח הסגור על ידי הטבעת מתנהג כמו משטח של דיפולים מגנטים. הדיפול המגנטי הוא מעין מגנט קטן בעל שני קטבים – צפון ודרום. דיפול זה, שנוצר על ידי טבעת הזרם, מפעיל כוחות מגנטיים על דיפול מגנטי אחר. בפיזיקה מכונה דיפול מגנטי זה בשם "דיפול אקציאלי".

ידוע גם דיפול אחר שהוא זוג מטענים חשמליים שוים בעוצמתם ושונים בסימנם הנמצאים בסמיכות, אולם לא בדיוק באותה הנקודה. דיפול זה מכונה דיפול חשמלי פולארי. התבוננות בכוחות אלקטרומגנטים שבין זוג מטענים מחד ובין זוג דיפולים מאידך אשר נמצאים במצכ סטאטי, מגלה את השוני שבין מטענים לדיפולים. הכוח שבין מטענים סטאטיים נמצא על הישר המחבר אותם ואילו הכוח הפועל בין דיפולים כאלה איננו בהכרח על הקו הזה. מסתבר כי הכוח שבין דיפולים עשוי להיות גם בכיוונים אחרים. ניתן להיווכח בתכונה זו אם אוחזים שני מגנטים בסמיכות ובאוריינטציה מתאימה. בהקשרים מסוימים, כמו למשל בפיזיקה הגרעינית, מכונה כוח מעין זה בשם כוח טנזורי.

בנוסף לטבעות של זרם חשמלי, ישנו מקור נוסף לדיפול מגנטי והוא הספין של חלקיקים. לחלקיקים בעלי מטען חשמלי ובעלי ספין שאיננו אפס, כמו למשל האלקטרון והפרוטון, יש גם מומנט דיפול מגנטי. קיימים גם חלקיקים נייטרלים מבחינה חשמלית, כמו למשל הניוטרון, שהם בעלי ספין ומומנט דיפול מגנטי.

דיפול חשמלי אקציאלי
על פי התורה הרגולרית של המונופולים המגנטיים אותה פיתח קומאי, ישנה דואליות מלאה בין כוחות מגנטיים לכוחות חשמליים. הקווארקים נושאים מטענים של מונופול מגנטי שהם בעלי תכונות דואליות לתכונותיהם של המטענים החשמליים.

ולכן, כפי שהאלקטרון בעל מטען חשמלי עם ספין-1/2 יוצר דיפול מגנטי אקציאלי, הקווארקים בעלי מטען מגנטי עם ספין-1/2 שיוצרים דיפול חשמלי אקציאלי.

על פי הנוסחאות שקיבל קומאי, הקווארקים נושאי המונופולים אינם מפעילים כוח חשמלי ישירות על מטען חשמלי, אבל מפעילים כוח הנובע מהדיפול החשמלי האקציאלי על דיפול חשמלי אקציאלי אחר. כלומר, פרוטונים וניוטרונים מהווים למעשה דיפולים חשמליים אקציאלים המפעילים כוחות זה על זה.

מדוע דומה הדיוטרון לכדור רוגבי?
הדיוטרון הינו גרעין של אטום מימן כבד המכיל פרוטון וניוטרון. אילו היה פוטנציאל הכוח הגרעיני תלוי אך ורק במרחק שביניהם היה אמור הדיוטרון להיות בעל צורה גיאומטרית כדורית. אולם מסתבר שצורתו של הדיוטרון דומה יותר לכדורגל אמריקאי, או לכדור רוגבי. דבר זה מעיד על כוח נוסף הפועל בין הפרוטון לניוטרון, אשר כיוון פעולתו איננו בהכרח בכיוון שבו נמצאים שני הנוקליאונים. בגלל תכונה זו, הדומה לכוח הפועל בין שני דיפולים מגנטים, נקרא כוח זה על ידי מדעני הפיזיקה הגרעינית בשם "המרכיב הטנזורי של הכוח הגרעיני".

ההסבר הראשון שניבדק בענין כוח זה קשור למומנט הדיפול המגנטי של הפרוטון והניוטרון. כזכור, הקווארקים טעונים במטענים חשמליים: קווארק u במטען 2/3 וקווארק d במטען 1/3-. קווארקים אלו נעים בתוך המרחב של הנוקליאון – הפרוטון או הניוטרון. גם תנועתם וגם הספין שלהם יוצרים מומנט מגנטי. ולכן, פועלים כתוצאה מכך גם כוחות של דיפולים מגנטיים בין הפרוטון לניוטרון. אולם מחישובים שנעשו, הסתבר שכוחות אלה חלשים הרבה יותר מהכוח הטנזורי, ואין הם יכולים להסביר את הדימיון של הדיוטרון לכדור רוגבי.

עד היום אין הסבר מוסכם למקורה של תופעה זו.

על פי המודל של קומאי, הקווארקים הינם מונופולים מגנטיים, כלומר, בעלי מטען מגנטי. לפי מודל זה קיימת דואליות בין השדה המגנטי לשדה החשמלי, ולמעשה, הקווארקים שהינם גם בעלי מטען של מונופול מגנטי וגם בעלי ספין, יוצרים מומנט דיפול חשמלי אקציאלי כאשר הם נעים בתוך המרחב של הנוקליאון.

כאן כבר מדובר בכוח חזק הרבה יותר. מטען המונופול המגנטי של הקווארקים הינו כאמור חזק בערך פי 100 מהמטען החשמלי של האלקטרון. לכן הכוח המופעל על ידי הדיפולים החשמליים האקציאלים של הפרוטון והניוטרון איננו מבוטל. היות וכל הקווארקים נושאים את אותם המונופולים המגנטים הרי שמומנט הדיפול החשמלי האקציאלי של הפרוטון והניוטרון דומים מאד. בנוסף לכך, סימנו של הכוח הטנזורי הגרעיני היא עובדה הידועה מהספרות של הפיזיקה הגרעינית והיא מבוססת על הדמיון שבין צורת הדיוטרון לצורתו של כדור רוגבי. ואכן מסתבר כי גם סימנו של הכוח הטנזורי הגרעיני מתלכד עם סימן הכוח שבין שני דיפולים אקציאלים שווים.

פיתוח התיאוריה הרגולרית של המונופולים המגנטים נשען על שיקולים שהם בלתי תלוים לחלוטין במבנה הגיאומטרי הספציפי של הדיוטרון. העובדה כי תיאוריה זו מסבירה גם את קיומו של הכוח הטנזורי הגרעיני וגם את סימנו מספקת ראיה נוספת לתקפותה ולשימוש שנעשה בה לשם הסברת הכוחות החזקים.

על המונופולים של דיראק
בשנות השישים של המאה הקודמת בדק שווינגר את האפשרות שהקווארקים הינם מונופולים מגנטיים. תכונותיו של המונופול כפי שבדק שווינגר, נוסחו במאמר של דיראק משנת 1931. מדידות הראו שהגבול העליון של מומנט הדיפול החשמלי של הניוטרון הוא מספר ממש אפסי. מאידך, אם הקווארקים נושאים מונופולים מגנטיים הרי שחייב להיות להם מומנט דיפול חשמלי גדול מאד. לכן, גם לניוטרון, אשר מצבו הקוואנטי בנוי מ-3 קווארקים, אמור להיות מומנט דיפול חשמלי גדול. עובדה זו מוטטה את הניסיון של שווינגר לתאר את הקווארקים כמונופולים.

לכאורה, אמורה עובדה נסיונית זו למוטט לחלוטין גם את המודל של קומאי.

אולם לא כך הדבר, משום שכפי שגילה קומאי, מונופול מגנטי איננו מפעיל באופן ישיר כוחות על מטען חשמלי. מסיבה זו גם הדיפול החשמלי האקציאלי הקשור למונופולים איננו מפעיל כוחות על מטענים חשמליים. מאחר שהנסיונות שנערכו על מנת למדוד את מומנט הדיפול החשמלי של הניוטרון מדדו את האינטראקציה שלו עם מטענים חשמליים, כלומר המדידה בדקה למעשה רק את הדיפול החשמלי הפולארי של הניוטרון. גודל זה אמור להיות אפס (או לפחות ממש אפסי) כפי שאכן התקבל מהמדידות. באופן זה מתלכד המודל של קומאי עם תוצאות ניסיוניות אלה.





תחזיות כושלות של המודל הסטנדרטי

22 05 2010

קבוצת החלקיקים הבנויים מקווארקים מכונה הדרונים. קבוצה זו מחולקת לשתי תת-קבוצות המכונות בריונים ומזונים. הכוח הדומיננטי הקובע את מבנה החדרונים נקרא הכוח החזק.

רקע
בשנות ה-60 של המאה הקודמת התברר כי ניתן להסביר את מבנה ההדרונים באופן הבא: המצב הקוואנטי של בריונים מאופיין על ידי שלושה קווארקים ומצב המזונים מאופיין על ידי זוג של קווארק ואנטיקווארק. לפי המודל של קומאי מכיל הבריון ליבה הנושאת שלוש יחידות של מטען של מונופולים מגנטים והיא קושרת אליה שלושה קווארקים, שכל אחד מהם נושא יחידת מטען שלילית של מונופול מגנטי. מונופולים אלה מקיימים את התורה הרגולרית של מונופולים מגנטיים. מצב זה אנלוגי לאטום לא מיונן המכיל גרעין הנושא מטען חשמלי חיובי ואלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי. המזונים הם זוג קשור של קווארק-אנטיקווארק, באנלוגיה לפוזיטרוניום, שהוא מצב קשור של אלקטרון ואנטי-אלקטרון (המכונה פוזיטרון). לצרוף של קווארקים אשר המבנה שלהם איננו תואם את האמור לעיל מצמידים את התואר "אקזוטי". עד היום לא התקבל אישור נסיוני לקיומם של הדרונים אקזוטים [1].

שנים ספורות לאחר גילוי הקווארקים נוסחה תיאוריה המכונה קוואנטום-כרומו-דינאמיקס (קיו סי די) אשר אמורה להסביר את הכוחות החזקים ואת מבנה ההדרונים. קיו סי די הפכה לחלק של המודל הסטנדרטי המטפל בכוחות החזקים. מסתבר כי אין לקיו סי די אילוץ השולל את קיומם של הדרונים אקזוטים [2]. כך קרה שבהתבסס על תיאוריה זו, פורסמו בספרות המדעית תחזיות הצופות את קיומם של כמה וכמה הדרונים אקזוטים וכן צבירים מתאימים של חומר.

לפני שניגש לפרטים, ראוי לומר מספר מילים כלליות על מסגרת העבודה עם קיו סי די. תורה זו הגדירה שלושה מיני מטענים המכונים צבעים. אילוץ שמשתמשים בו במסגרת העבודה עם קיו סי די טוען שהדרון חפשי חייב להיות "לבן", ז"א להכיל כמות שווה של שלושת הצבעים. קיומם של המזונים מוסבר על ידי כוח משיכה בין קווארק לאנטיקווארק. בנוסף לכך, ועל מנת להסביר את קיומו של הפרוטון ויתר הבריונים, קיים בקיו סי די כוח משיכה הפועל בין קווארקים. האילוץ המונע מהדרונים "לא לבנים" להימדד במכשירים מקטין כמובן את מספר החלקיקים אשר קיו סי די מאפשר את קיומם. אולם למרות מגבלה זאת, מאפשרת עדיין קיו סי די את קיומם של מספר לא קטן של הדרונים אקזוטים וגם צבירים שונים של חלקיקים. דף זה מציג רשימת חלקיקים אשר חסידי קיו סי די טענו לקיומם, ולמרות שטרם נמצאו, עדיין ממשיכים לחפש אחריהם. קבוצה אחרת של חלקיקים היתה אמורה להתגלות, אולם לאחר כשלון המאמצים הנסיוניים מצאו חסידי קיו סי די נימוקים המסבירים את הכשלון.

דיבריונים
דיבריונים הינם משפחה של חלקיקים המורכבים משישה קווארקים. קיומם נחזה כבר בשנת 1977 על ידי רוברט יפה. נטען כי קיומם של דיבריונים אפשרי מבחינת קיו סי די וחלקם אמור אפילו להיות יציב. קבוצת חלקיקים זו כונתה H (מהקידומת hexa) לכבוד ששת הקווארקים האמורים להרכיב אותה [3]. הודגש שהקשר שבין קווארקים אלה אמור להיות חזק ממש, בניגוד לכוח הגרעיני הקושר את הפרוטון והניוטרון בדיוטרון (אנרגית הקשר של הדיוטרון היא בערך 2.2 MeV.)

על פי המודל של קומאי, קווארקים דוחים זה את זה, ולכן שישה קווארקים יוכלו להיות יחד רק בתוספת שתי ליבות, כמו בדיוטרון, שהוא המצב הקשור של פרוטון וניוטרון. ניתן לומר באופן ציורי כי בדיוטרון, הקווארקים של הפרוטון נמשכים אל הליבה שלהם בכוח החזק, ואל הליבה של הניוטרון בכוח חלש יותר (זהו הכוח הגרעיני החזק שהוא כוח שיורי של הכוח החזק). באופן דומה נמשכים הקווארקים של הניוטרון אל הליבה שלהם באמצעות הכוח החזק, ואל הליבה של הפרוטון בכוח חלש יותר. לכן, כוחות משיכה בין הדרונים הם אנלוגים לכוחות ואן-דר-ואאלס שהם כוחות משיכה בין מולקולות לא מיוננות. הכוח הגרעיני החזק הוא כוח שיורי והוא ממש חלש בשני סדרי גודל מהכוחות החזקים. לכן המצב של שני הדרונים הקשורים חזק הוא בלתי אפשרי.

דיבריונים לא נמצאו עד היום [4].

פנטקווארקים
פנטקווארק הוא פרוטון (או ניוטרון) הקשור למזון. על פי קיו סי די חלקיקים אלה קשורים חזק ואמורים להתגלות. מאז נחזתה אפשרות קיומם בשנת 1987, נכתבו אודותם מאות ואולי אלפי מאמרים. חלקם אפילו חילקו את הפנטקווארקים לכמה מינים שונים של חלקיקים ותארו את תכונותיו של כל חלקיק פנטקווארקי כזה. בשנת 2003 הכריזו מעבדות LEPS שביפן על מציאתם, אך ניסויים חוזרים הפריכו את התגלית.

בדומה למה שנאמר לגבי דיבריונים, פוסל המודל של קומאי את קיומם של הפנטקווארקים. ראשית, כל ההדרונים (החלקיקים הכוללים קווארקים) הינם נייטרלים מבחינת סכום המטענים המגנטיים. הפרוטון משול לאטום בלתי מיונן והמזון משול לפוזיטרוניום, שהוא מצב קשור של אלקטרון ופוזיטרון. לכן הקשר שבין שני הדרונים אמור להיות דומה למה שמוצאים בדיוטרון, שהוא מצב קשור של פרוטון וניוטרון. בדיוטרון, אנרגית הקשר היא בערך 2.2 MeV ואילו אנרגית הקשר החזק היא מסדר גודל של מאות MeV. יתר על כן, עבור כל זוג של קווארק-אנטיקווארק היוצר מזון, נמצאים המזונים הקלים ביותר (שהם המועמדים הטבעיים להרכבת פנטקווארקים) במצב שבו הספין הכללי של המזון מתאפס. מבחינה זו דומים המזונים הללו לגז אציל, אשר כידוע איננו יוצר תרכובות כימיות. לכן מנבא המודל של קומאי שלא ימצאו פנטקווארקים קשורים חזק.

המוסד הבין-לאומי המוסמך לקבוע קיומם ותכונותיהם של חלקיקים מכונה PDG – פרטיקל דטה גרופ. הדיווח האחרון בענין פנטקווארקים מסכם את המצב במילים אלו: "… ישנם שניים או שלושה ניסויים בהם התגלו לכאורה פנטקווארקים, אך אין טעם אפילו לצטט אותם, בגלל כמות ההוכחות העצומה לאי קיומם… כל הסיפור — התגליות עצמן, הגל הענק של מאמרים תיאורטיים ופנומנולוגיים שנכתבו בעקבות כך, והסיכום בדבר "אי התגלית" — מהווה אפיזודה מוזרה בהיסטוריה של המדע" [5].

החיפוש אחרי פנטקוורקים נמשך.

כדורי דבק
כדורי דבק הינם חלקיקים המורכבים מגלואונים בלבד, ללא קווארקים. על פי המודל הסטנדרטי מצב זה אפשרי משום שגלואונים מכילים "צבע" ומפעילים את הכוח החזק. על פי חישובים תיאורטיים של חסידי המודל הסטנדרטי ניתן לייצר כדורי דבק במאיצי החלקיקים הנוכחיים.

על פי המודל של קומאי, אין גלואונים ואין צבעים, וכמובן שאין ולא יכולים להיות כדורי דבק.

למרות הניסיונות לא התגלו עד היום כדורי דבק כאלה.

חומר מוזר
קיומו של חומר יציב שהוא צביר של בריונים אשר כל אחד מהם דומה לבריון למבדא 1116 (כלומר שלושה קווארקים u,d,s) נצפה ע"י חסידי קיו-סי-די [6]. צביר מסוג זה נקרא חומר קווארקי מוזר, ובקיצור SQM. את SQM חיפשו בכל מקום אפשרי, כולל מחצבים ארציים וגם סלעים שהובאו מהירח [7].

המודל של קומאי שולל את קיומו של SQM. אנרגיית הקשר בין בריונים אמורה להיות דומה לאנרגית הקשר הגרעיני. עבור גרעין טיפוסי, אנרגיה זו היא בערך MeV 8 כפול מספר הנוקלאונים (נוקלאון היא מלה משותפת לפרוטון ולניוטרון). מאידך, אנרגית הבריון למבדא גבוהה בערך ב MeV 180 מזו של הנוקלאון. ברור כי לא ניתן לייצב אנרגיה של MeV 180 באמצעות MeV 8. לכן, היות וחלקיק למבדא מתפרק במשך פחות ממיליארדית שניה, הרי SQM אמור לא להיות קיים. הניסיון מאשר זאת.

צרופים אקזוטיים אחרים
במסגרת קיו סי די ניתן לבנות צרופים אפשריים רבים למדי של חלקיקים אקזוטיים. אחד מהם מכונה טטרהקווארק, שהוא אמור להיות מצב יציב של שני קווארקים ושני אנטיקווארקים. אף אחד מהחלקיקים הללו לא קיבל אישור לקיומו. בסקירה האחרונה של פי די ג'י [1] ניתן למצא רשימה לא קצרה של רפרנס לספרות המדעית הדנה בעיניינם.

ממשיכים לחפש
לפי קיו סי די של המודל הסטנדרטי אפשריים מצבים יציבים, כדוגמת הפרוטון, שבו קווארקים מושכים זה את זה. בנוסף, לא קיימת כאן תופעת המיסוך הידועה מחוקי האלקטרודינמיקה. מסיבות אלו מאפשרת קיו סי די את קיומם של צירופים רבים של קווארקים ואנטיקווארקים הקשורים באמצעות הכוח החזק. מספר צירופים כאלה אמורים להיות יציבים למדי, וחלקם יציבים מאוד, כמו חומר מוזר ופנטהקווארקים. למרות זאת, ולמרות המאמצים האדירים שהושקעו במשך עשרות שנים בחיפושים אחריהם, לא התגלו חלקיקים כאלה, כפי שאכן נצפה על ידי המודל של קומאי.

המאמצים לגילוי חלקיקים ממין זה נמשכים, גם בניסוי הנוכחי בצרן.

C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008).1
"Review of Particle Physics: Pentaquarks". Physics Letters B667, 1 (2008).
ראה בתוך [1] את http://pdg.lbl.gov/2009/listings/rpp2009-list-non-qqbar.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_hadron .2
R.L. Jaffe, "Perhaps a Stable Dihyperon?". Physical Review Letters 38 195 (1977) .3
4. לימים נמצאו נימוקים מדוע חלקיקים אלה אינם יכולים להתקיים ומאמצים מיוחדים האמורים למצאם הופסקו
http://pdg.lbl.gov/2009/reviews/rpp2009-rev-pentaquarks.pdf .5
E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984) .6
Phys. Rev. Lett. 103, 092302 (2009) et al., K. Han .7








הרשמה

קבל כל פוסט חדש ישירות לתיבת הדואר הנכנס.