המודל הסטנדרטי במבחן המציאות

26 01 2010

בהגדרת הערך "המודל הסטנדרטי" בויקיפדיה, נכתב שהמודל הסטנדרטי "תואם בדייקנות את הניסויים הנערכים בתחום החלקיקים האלמנטרים."

האמנם?

המכשירים המתקדמים של ימינו, ומאיצי החלקיקים שנבנו בידי אדם מתבססים על הידע שלנו בתורת היחסות הפרטית ובתורת הקוואנטים ומספקים תמיכה אדירה לתוקפן של תורות אלו. לעומתם, פיזיקת החלקיקים האלמנטריים, שאין לה אפליקציות טכנולוגיות, נאלצת להסתמך על תוצאות של נסיונות מדעיים בלבד.

לפני שנדגים את הממצאים הסותרים את המודל הסטנדרטי, חשוב לציין שתוכן האתר איננו עוסק במתקפה על כל רכיבי המודל, אלא בעיקר בחלק של המודל הנקרא קיו סי די, המתאר את הכוח החזק המחזיק את הקוארקים בנוקליאונים. כאשר מציצים בערך בויקיפדיה המתאר את קיו סי די, מתברר שאפילו שם נאמר שלכל התחזיות הניסיונית הניתנות למדידה על ידי קיו סי די יש טעות של יותר מחמישה אחוז.

ממצאים ניסיוניים רבים סותרים את המודל הסטנדרטי.

• גרף חתך הפעולה בהתנגשות בין פרוטונים אנרגטיים מאד איננו יכול להיות מוסבר. מספר מצומצם של פיזיקאים מתלונן על כך והרוב פשוט מתעלם. [1,2]
אפקט EMC הראשון סותר את התורה. כשהתגלה ב-1983 הפתיע אפקט זה את הפיזיקאים. טרם נמצא הסבר מקובל [3,4].
• נפח האנטי-קוארק שבתוך הפרוטון גדול מנפח הקוארק. לא נמצא הסבר מתקבל על הדעת לתופעה. [5]
• אלומת אור אנרגטית מאד מתנהגת באופן דומה כאשר היא פוגעת בניוטרון ובפרוטון. ניתן הסבר מאולץ לתופעה הנקרא VMD (וקטור-מזון-דומיננס). הסבר זה סותר את תורת היחסות הפרטית ואת התיאוריה של ויגנר בענין חבורת פואנקרה, שנחשבות לנכונות. [6,7,8]
• פנטה-קוארקים היו צריכים להתגלות בניסוי ולא התגלו. [9-11] הוא הדבר לגבי חומר יציב וחסר מטען חשמלי, שבין מרכיביו נכללים קוארקים המכונים מוזרים [12]. לאחר כשלונם של ניסיונות רבים שהיו אמורים לאמת תחזיות אלו, נותרו שני הרעיונות הללו בגדר תעלומות בלתי פתורות.
• לפי קיו-סי-די, אמורים להתגלות גלובולס (בעברית: "כדורי דבק") חופשיים. למרות חיפושים ממושכים, אין עדות מוסמכת לקיומם. [13]
• הצפיפות הקבועה של הפרוטונים והניוטרונים בגרעיני אטום בעלי מסות שונות סותרת את התיאוריה [14]. הנושא לא הגיע לכלל דיון.

ויש עוד. כשיש חורים בתיאוריה – יש הרבה דרכים להיווכח בהם. חוץ מהתופעות האלו, ישנן תופעות נוספות אשר אולי אינן מהוות סתירה בוטה, אך הן בלתי מוסברות, כמו למשל, מדוע בניוטרון נוטים המטענים החשמליים השליליים להמצא בתחום חיצוני יותר מאלה החיוביים [15]? ענין אחר קשור לסימנו של הכח הטנזורי שבין מרכיבי הגרעין, כפי שהוא מתקבל מניתוח מצבו של הדיוטרון [14].

אבל אם יש אי התאמה למציאות, הרי אפשר להוסיף עוד הנחה ו"לסדר" את התורה, הלא כן?
לפעמים כן ולפעמים רק לכאורה. למשל, רעיון הווקטור-מזון-דומיננס שגוי מיסודו. רעיון זה נותר על כנו למרות היותו מנוגד לתורת היחסות הפרטית. כל זאת על מנת ליישב בעיה שאין לה פתרון במסגרת המודל הסטנדרטי. לפעמים אי אפשר להוסיף הנחות חדשות כדי לתקן אי התאמה לממצאים, משום שאז נגרמות סתירות פנימיות והתיאוריה הופכת להיות בלתי עיקבית.

בנוסף, כאשר נאלצים להוסיף הנחות שרירותיות לקבוצת החוקים המצומצמת, מוריד הדבר מערך התיאוריה, כי בתיאוריה טובה יש מינימום הנחות כאלה. במקרה של המודל ובמיוחד בחלק הנקרא קיו-סי-די, לא רק שהוא איננו עיקבי ונסתר על ידי המציאות – בנוסף יש מספר גדול של הנחות שרירותיות שנועדו להסביר תופעות שלא נמצא להן הסבר טבעי בתוך המודל.

אבל המודל חזה את הבוזונים W ו Z בהצלחה. האם זה היה מקרי?

כדי להבין מה חזה המודל, מה נצפה והאם מה שנצפה זהה למה שנחזה צריך להבין את הפרטים.

היום ידועים 12 חלקיקים אלמנטרים (כלומר, שאינם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר) בעלי מסה גדולה מאפס. שישה סוגים של קוארקים (המסומנים באותיות u,d,s,c,b,t) ושישה חלקיקים אחרים המכונים לפטונים. לכל אחד מאלה קיים גם חלקיק שהוא אנטי חומר – כלומר בסה"כ 24 חלקיקים אלמנטרים בעלי מסה. כל החלקיקים האלו הינם בעלי תכונה שהפיזיקאים מכנים "ספין חצי". התוצאות הנסיוניות תומכות בהנחה שכאן מדובר בחלקיקים נקודתיים.

המודל הסטנדרטי, אשר פיתוחו התחיל בשנות השישים, צפה שלושה חלקיקים נוספים הנקראים בוזון W, בוזון Z ובוזון היגס. כולם אלמנטרים, בעלי מסה גדולה מאפס ובעלי ספין שלם, כלומר אינם "ספין חצי" כמו שאר החלקיקים האלמנטרים בעלי המסה שהוזכרו לעיל. כמו כן, בעבודות שנעשו על ידי מפתחי המודל, נחזו המסות של W ,Z.

בשנות השמונים התגלו שני חלקיקים, אשר מסתבר שיש להם מסות דומות לתחזיות של חלקיקי W ו Z ושיש להם ספין שערכו שווה 1. טרם הראו שהם נקודתיים, ולמעשה יהיה קשה מאוד להראות זאת אי-פעם משום שאורך החיים שלהם קצר מאוד.

זו אכן, הצלחה של המודל, אם כי המספרים המצויינים באתרים שונים באינטרנט בענין הדיוק בתחזיות מוגזמים מאד. תחזיות שנחשבו למקובלות לפני שהתגלה חלקיק W נופלות בטווח של 79.5 עד 84 GeV (ראה [16]). החלקיק שהתגלה בדיעבד הוא בעל מסה GeV 80.4. לגבי בוזון Z ההבדל בין התחזיות לניסיון דומה.

יתכן, שיש משהו נכון בשיקולים שעליהם מתבסס המודל ושהובילו לגילוי חלקיקים בעלי מסה קרובה למה שנצפה. אולם גם אם תחזית זו נחשבת להצלחה, הרי אין היא אומרת הרבה על חלקים אחרים של המודל הסטנדרטי. הכשלונות של קיו-סי-די מצביעים על כך ואי מציאתו של בוזון היגס בנסיונות קודמים מרמזת על כך.

בהיסטוריה של הפיזיקה היו תורות שהצליחו מאד בתחום מסוים ונפסלו לאחר שנכשלו כשלון חרוץ בתחומים אחרים. כך למשל, הצליחה התיאוריה האטומית של בוהר לתאר בדיוק גבוה את רמות האנרגיה של אטום המימן, אולם כשלה כבר באטום ההליום, המכיל שני אלקטרונים. (תיאוריה זאת של בוהר מכונה תורת הקוואנטים הראשונה.) לאחר קצת יותר מעשור, נוסחה תורת הקוואנטים על ידי הייזנברג, שרדינגר ודיראק, ותורת בוהר נזנחה כליל. (מה שנותר ממנה הוא התאור הציורי של האטום, הדומה לכוכבי לכת המקיפים את השמש.) בוהר עצמו הכיר בכך מיד, "הפשיל שרוולים" ותרם לפתוחה של תורת הקוואנטים של ימינו, אותה תורה אשר הדיחה את ה"בייבי" שלו.

ומה עם הגלואונים שנחזו על ידי הקיו-סי-די?

הגלואונים הינם חלקיקים ללא מסה, אשר המודל טוען שהם נמצאים בפרוטון ובחלקיקים אחרים המכונים הדרונים. הם לא התגלו במישרין ובמסגרת קיו-סי-די הם משמשים להסבר של תופעות. אולם מאחר ותורה זו מנוגדת להרבה ממצאים נסיוניים, הרי גם קיומם של הגלואונים מוטל בספק.

האם ישנה תיאוריה מוצלחת יותר המסוגלת להסביר את התופעות שסותרות את הקיו-סי-די?
כן. אבל קודם לכן, הפסקת קפה.

1. A. A. Arkhipov
E. Comay Apeiron, 16, 1 2009 .2
J. J. Aubert et al. (EMC), Phys. Lett., 123B, 275 1983 .3
J. Arrington et al., J. Phys. Conference Series 69, 012024 2007 .4
D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, .5
(Addison-Wesley, Menlo Park CA, 1987).
(See the figure on p. 281 and apply the Heisenberg uncertainty principle)
see also http://www.tau.ac.il/~elicomay/antiquark.html
T. H. Bauer, R. D. Spital, D. R. Yennie and F. M. Pipkin, .6
Rev. Mod. Phys. 50, 261 1978
S. S. Schweber, An Introduction to Relativistic .7
Quantum Field Theory, Harper & Row, New York, 1964.
(See pp. 44-53)
E. Comay, Apeiron, 10, 87 2003. 8
C. Gignoux, B. Silvestre-Brac and J. M. Richard, Phys. Lett. 193, 323 1987 .9
H. J. Lipkin, Phys. Lett. 195, 484 1987 .10
C.G. Wohl, in the 2009 report of PDG .11
12. ראה E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 1984 וראה את משפט הסיום במאמר שפורסם לאחרונה:Phys. Rev. Lett. 103, 092302 2009 K. Han, et al.,
The Experimental Status of Glueballs, V. Crede and C. A. Meyer, 2009 .13
ראה משפט הפתיחה של האבסטרקט ומשפט הסיום של הפיסקה הראשונה של פרק הסיכום
14. אפשר למצוא בספרי לימוד של פיזיקה גרעינית
15. ראה נתוני הניוטרון בדוח של Particle Data Group
16. ראה C. H. Llewellyn Smith and J. F. Wheater, Phys Lett. B105, 486, 1981

מודעות פרסומת

פעולות

Information

2 responses

30 01 2010
יורם

לגבי מהי תיאוריה תקינה – היא צריכה להיות ניתנת להפרכה.
לגבי התיאוריה "הכל אפשרי" – אין זה נכון שהיא "לא מסוגלת לחזות אפילו תחזית אחת". להיפך, יש לה אינסוף תחזיות ורובן לא נכונות . למשל שמחר לכל הג'ינג'ים יצמח זנב, או שיהיה טוב יותר. דרך אגב, מספר התחזיות המוטעות באמת גדול ממספר הנכונות.

30 01 2010
עפר קומאי

כאן גולשים לכיוון הפילוסופי, אולם התיאוריה הריקה לא חוזה שמחר יצמח לג'נג'ים זנב – היא חוזה שאולי יצמח להם זנב ואולי לא. ואם זורקים משהו באוויר – מבחינתה אולי יפול על הרצפה ואולי לא.
אגב, למודל הסטנדרטי יש אוסף פרמטרים גדול שבמקרים רבים מכווננים אותם בהתאם לתוצאות. באופן זה הוא דומה במקצת לתיאוריה ריקה – תוצאות רבות לא סותרות אותו אבל גם לא נחזות, אלא מוסברות בדיעבד.

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s




%d בלוגרים אהבו את זה: