האלטרנטיבה

3 02 2010

בכתבה זו נסביר כיצד מתמודד המודל החדש עם התופעות הקיימות ועם אלו הסותרות את קיו-סי-די. הקורא יווכח כי המודל החדש עושה זאת בקלילות מפתיעה למדי וללא תוספת הנחות תיאורטיות חדשות. נזכיר כאן, שההנחה הבסיסית שהניח המודל החדש הייתה קיומו של עיקרון הואריאציה, עיקרון הידוע במשך מאות שנים. זהו עקרון חשוב ביותר לפתוחן של תורת השדות ותורת הקוואנטים.

איך מחוברים הפרוטונים והניוטרונים זה לזה בתוך גרעין האטום?
המודל החדש המתואר כאן מקביל למודל המתאר קשרים בין מולקולות ניטרליות מבחינה חשמלית. קשרים אלה נובעים מאינטראקציה אלקטרומגנטית בעלת אופי קוואנטי. בתוך הגרעין הקשרים פועלים על ידי מטען מגנטי, וקיימים אפקטים מקבילים. למשל, לכוח ון-דר ולס המחזיק מולקולות בנוזל קיים כח מקביל. זהו הכח הגרעיני המחזיק את הפרוטונים והניוטרונים יחדיו. בדיקה בספרות מראה דמיון גבוה מאד בין פוטנציאל הכח הנצפה בין מולקולות לבין הפוטנציאל של הכח הגרעיני [1,2]. הצלחתו של מודל טיפת הנוזל לאפיין את מבנה הגרעין קשורה לענין זה.

לפני שעשינו את הפסקת הקפה, צויינו מספר תופעות נסיוניות הסותרות את התיאוריה הקיימת, הקיו-סי-די, שהמודל החדש מסביר אותן. איך מסביר המודל החדש את גרף חתך הפעולה בהתנגשות פרוטונים?
לפני שנכנס לפרטים, יש לציין ענין כללי. ברור לכל העוסקים בדבר שהכוחות החזקים הם אכן חזקים ממש. לכן תופעות הקשורות לתורת היחסות הפרטית ולתורת השדות תורמות תרומה מכרעת לתהליכים. ענין זה מקשה את החישובים במידה רבה. אולם, כפי שיסתבר להלן, ניתן בהחלט להסיק מסקנות מתכונות כלליות יותר, כמו שיפוע עולה או יורד של גרף, קיומה או אי קיומה של תופעה מסוימת, וכו'.

אם אין חלקיקים מסיביים בפרוטון פרט לשלושת הקווארקים וזוגות קווארק- אנטיקווארק אזי בהתנגשות פרוטון-פרוטון אמור גרף חתך הפעולה לרדת, במציאות עולה הגרף עבור אנרגיות גבוהות. ניתן להסביר תופעה זו אם ישנם בפרוטון קווארקים נוספים והם נכנסים לפעולה רק כאשר האנרגיה של התהליך עוברת רף מסוים. על פי המודל החדש יש בפרוטון גם קליפות סגורות של קווארקים. לכן, באנרגיות גבוהות יותר, נכנסים הקווארקים של הקליפות האלו לפעולה והגרף מתחיל לעלות. תופעה זו היא אנלוגית לאפקט פרנק-הרץ הנובע מאינטראקציה עם האלקטרונים הקשורים לאטום.

ואיך מוסבר אפקט EMC הראשון?
אפקט זה נובע מתופעת המיסוך. הוא מתקבל באופן אוטומטי מהאנלוגיה שבין הקליפות האלקטרוניות שבאטום והקווארקים שבפרוטון.

ומדוע בתוך הפרוטון, גדול נפח האנטי-קווארק מנפח הקווארק?
באטום המימן אפקטים של תורת השדות הם מזעריים. ניתן לגלותם באופן עקיף באמצעות מדידה של הזזה קטנה של רמות האנרגיה (המכונה הזזת לאמב). היות והמטען המגנטי האלמנטרי גדול בהרבה ממקבילו החשמלי, הרי, כפי שצויין, אפקטים רבים של תורת היחסות הפרטית ותורת השדות באים בפרוטון לידי ביטוי מפורש. לכן הצליחו לערוך נסיונות שהוכיחו באופן ישיר, שקיימים אנטיקווארקים בפרוטון. אנטיקווארקים אלה נובעים מתוספת של זוג אחד או יותר של קווארק-אנטיקווארק לפונקצית הגל המתארת את הפרוטון. מדידות הראו שנפח האנטיקווארקים גדול יותר מזה של הקווארקים. לפי המודל החדש תוצאה זו היא מיידית, משום שהמטען המגנטי של האנטיקווארקים שווה בסימנו לזה של ליבת הפרוטון. ברור כי באיזורים פנימיים של הפרוטון אין הקווארקים מקיימים מיסוך מלא של המטען המגנטי של הליבה. מסיבה זו נדחים האנטיקווארקים על ידי הכוח המגנטי הקשור לליבת הפרוטון וגדלה ההסתברות למצאם באיזורים חיצוניים יותר שלו.

ומהו ההסבר המחליף את ה VMD שאמור להסביר מדוע אלומות אור אנרגטיות מאד מתנהגות באופן כמעט זהה בפרוטון וניוטרון?
תופעה זו מתקבלת באופן מיידי מהנוסחה החדשה המתארת מונופולים מגנטיים. נוסחה זו מראה שאין אינטראקציה ישירה בין מטען חשמלי ומונופול מגנטי. מאידך, גם המטענים החשמליים וגם המונופולים המגנטיים נכנסים לאינטראקציה עם פוטונים (שהם קוואנטים של קרינה אלקטרומגנטית). לכן, היות והמטען החשמלי של הקווארקים שבפרוטון שונה מזה שבניוטרון, הרי גם האינטראקציה של האלקטרון עם הפרוטון שונה מזו שבין האלקטרון והניוטרון. נעבור לפוטונים אנרגטיים. מבנה הקווארקים בפרוטון ובניוטרון דומה מאד (ענין זה מכונה סימטרית האיזוספין) וכולם נושאים את אותו מטען של מונופול מגנטי. בנוסף לכך, המטען המגנטי האלמנטרי גדול מאד מזה החשמלי. לכן "רואים" פוטונים אנרגטיים את הקווארקים שבפרוטון ובניוטרון באופן דומה מאד ואילו השוני במטען החשמלי של הקווארקים הללו משפיע רק באופן שולי.

ומדוע פנטה-קווארקים לא התגלו?
חסידי קיו-סי-די חזו מצב קשור חזק בין פרוטון (או ניוטרון) לבין מזון, המכונה פנטה-קווארק. התורה הרגולרית של המונופולים המגנטיים פוסלת זאת באופן מידי. ראשית, כל ההדרונים (החלקיקים הכוללים קווארקים) הם 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. כאן 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 פנטה-קווארקים) במצב שבו הספין הכללי של המזון מתאפס. מבחינה זו דומים המזונים הללו לגז אציל, אשר כידוע איננו יוצר תרכובות כימיות. לכן מנבאת התורה הרגולרית של המונופולים המגנטיים שלא ימצאו פנטה-קווארקים קשורים חזק. הניסיון מאשר זאת.

ומדוע לא התגלה חומר יציב העשוי מקווארקים מוזרים?
קיומו של חומר יציב שהוא צביר של בריונים אשר כל אחד מהם דומה לבריון למדה 1116 נצפה ע"י חסידי קיו-סי-די. מצב זה נקרא בקיצור SQM. כפי שנאמר קודם, אנרגית 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 למדה גבוהה בערך ב MeV 180 מזו של הנוקלאון. ברור כי לא ניתן לייצב אנרגיה של MeV 180 באמצעות MeV 8. לכן, היות וחלקיק למדה מתפרק במשך פחות ממיליארדית שניה, הרי SQM אמור לא להיות קיים. הניסיון מאשר זאת.

ואיך מוסברת הצפיפות הקבועה של הפרוטונים והניוטרונים בגרעיני אטומים שונים?
האנלוגיה שבין מולקולה לא מיוננת לבין נוקלאון מסבירה זאת. ואכן קיים דמיון גבוה מאד בין גרף הפוטנציאל הפנומנולוגי שבין מולקולות לבין הפוטנציאל הגרעיני. הוא מראה משיכה במרחק גדול יותר ודחיה חזקה במרחק קצר. התופעה האחרונה קשורה לעקרון פאולי, והיא האחראית לצפיפות הקבועה של נוזלים מחד וגרעינים מאידך [1,2].

ומדוע בניוטרון נוטים המטענים החשמליים השלילים להמצא באיזור חיצוני יותר מאשר החיוביים?
כאן יש להתחשב בתופעה נסיונית ידועה הקשורה לעקרון פאולי: בפרוטון ישנם יותר זוגות של קווארק-אנטיקוורק מסוג d מאשר מסוג u. בניוטרון, בגלל סימטרית האיזוספין, המצב הפוך, וישנם יותר זוגות קווארק-אנטיקווארק מסוג u. כפי שראינו קודם, נדחים האנטיקווארקים לאיזור חיצוני יותר. היות והאנטיקווארק מסוג u נושא מטען חשמלי שלילי של 2/3- הרי ברור שהאנטיקווארק מסוג d, שגם סבירותו נמוכה יותר וגם עוצמת מטענו החשמלי החיובי 1/3+ קטנה יותר, לא יטשטש את תרומת המטען החשמלי השלילי של האנטיקווארק מסוג u. כפי שראינו לעיל, נוטים האנטיקווארקים להמצא בסבירות גבוהה יותר באיזורים חיצוניים של הניוטרון. מכלול נימוקים אלה מסביר את התופעה.

איך מוסבר במודל החדש שפי-מזון, המורכב משני קווארקים, הינו בעל מסה שהיא רק כשביעית מהמסה של פרוטון?
פשוט משום שיש בפרוטון הרבה יותר משלושה קווארקים. ישנם גם אלה שבקליפות הפנימיות וישנה גם הליבה הטעונה במטען של מונופולים מגנטים בעלי סימן הפוך לזה של הקווארקים. סביר שקיומם של הרבה מרכיבים בפרוטון יגדיל את מסתו.

ואיך מוסבר הקוטר של הפי-מזון?
ניתן לקבל אינדיקציה על מצבים קוואנטים של בריונים ומזונים מתוך התבוננות במצבים הידועים של אטומים ושל הפוזיטרוניום. רדיוס אטום ההליום קטן מרדיוס אטום המימן. מאידך, חישובים קוואנטים פשוטים מראים כי קוטר מצב היסוד של הפוזיטרוניום הוא כמעט בדיוק כפול מרדיוס אטום המימן. לכן, רדיוס מצב היסוד של הפוזיטרוניום שווה לרדיוס אטום המימן. פרושו של דבר, אילו היה הפרוטון מורכב רק משלושה קווארקים ומליבה שהיא אלמנטרית, היה אמור רדיוסו של הפרוטון להיות ממש קטן יותר מזה של הפי-מזון. מאחר שישנם אישורים נסיוניים לכך שהפרוטון מכיל קליפות סגורות של קווארקים, הרי הוא משול לאטום מרובה אלקטרונים. לכן הגיוני להיווכח שהתוצאה הנסיונית מעידה שרדיוס הפי-מזון קטן מרדיוס הפרוטון.

האם ניתן להתיחס לתופעות נוספות?
כן. נציין כאן שלוש תופעות נוספות, אשר אילו לא היו מתקיימות, היה המודל החדש נופל או לפחות נפגם מאד. כידוע, זהו ענין (פילוסופי) חשוב. מעמדה של תיאוריה משתפר אם היא עוברת בהצלחה מבחנים העשויים להכשילה.

מדידות הראו שהגבול העליון של מומנט הדיפול החשמלי של הניוטרון הוא מספר ממש אפסי. מאידך, אם הקווארקים, שהם בעלי ספין 1/2, הם 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. לכאורה, אמורה עובדה נסיונית זו למוטט לחלוטין את המודל החדש המוצג לעיל. אולם לא כך הדבר. הענין הוא בכך שהמודל החדש – התורה הרגולרית של המונופולים – מבחין בין דיפול פולרי לדיפול אקציאלי. המדידות שנערכו מדדו למעשה את הדיפול החשמלי הפולרי של הניוטרון, והוא אכן אמור להיות אפס. מדידות אלו אינן אומרות ולא כלום על הדיפול החשמלי האקציאלי של הניוטרון.

כאמור, הדיוטרון הוא מצב קשור של פרוטון וניוטרון. ניתוח הממצאים הנסיוניים מעיד שבין מרכיבי הכח הגרעיני נמצא כח טנזורי. העובדה שלפי המודל החדש המצוין כאן, אמור להיות לכל אחד משני מרכיבי הדיוטרון מומנט דיפול חשמלי אקציאלי מסבירה את הכח הגרעיני הטנזורי. יתר על כן, סימנו השלילי של הכח הטנזורי המתקבל מחישובים זהה עם הסימן המתקבל מהממצאים הנסיוניים.

ענין אחר. בפיזיקת החלקיקים מקובל שלא להתיחס לכח הגרביטציה שכן כח זה חלש ביותר והוא למעשה עיוור לתכונות ספציפיות של החומר. בהתחשב בכך ניתן לומר את הדברים הבאים. לכח החזק ולכח האלקטרומגנטי ישנן שתי תכונות משותפות: תהליכים הנשלטים על ידי כחות אלה שומרים על שתי תכונות חשובות המכונות זוגיות ו"טעם". המודל החדש עולה בקנה אחד עם כך. החשמל והמגנטיות באים בצמד. מאידך, אילו, למשל, היו בטבע 3 כוחות מסוג זה, הרי היה הדבר מטיל צל כבד על הרעיון.

האם ניתן לערוך ניסוי נוסף שיכול להוכיח שהתיאוריה הזו נכונה והקיו-סי-די איננו נכון?
כן, הרי דמיונם של יוזמי הנסיונות הוא עצום ואין לצפות שאדם אחד ימצה את כל האפשרויות. מאידך, יש לציין שכמעט כל אחת מהתופעות הנידונות לעיל אינן מוסברות, ואפילו סותרות, את הקיו-סי-די. יתר על כן, תופעות אלו מוסברות על ידי המודל החדש המבוסס על המונופולים המגנטים, מבלי שקיים צורך לגייס לשם כך נימוקים תיאורטים נוספים אשר לא רכשו לעצמם מעמד מדעי מבוסס. מצב ענינים זה מהווה תמיכה חזקה בתקפותו של הרעיון שהכוחות החזקים הם כוחות של מונופולים מגנטיים המקיימים את חוקי התיאוריה הרגולרית של המונופולים. ברור כי כשלונותיה המרובים של קיו-סי-די מטילים ספק גדול בתקפותה.

ניתן למשל לערוך ניסוי מענין שמציב אתגר עבור תורת המונופולים שהוצגה כאן. לשם כך צריך למדוד את חתכי הפעולה לפיזור של שתי אלומות מתנגשות של פיונים, ולעשות זאת עבור ערכי אנרגיה רבים. המדידות המקבילות לגבי הפרוטונים מראות שהגרף עולה עבור ערכי אנרגיה גבוהים. לפי מה שנאמר קודם, נובעת עליה זאת מקיומן של קליפות סגורות של קווארקים בפרוטון. הפיונים אינם מכילים קליפות כאלו, ולכן אמור גרף חתך הפעולה של פיזור פיון-פיון לרדת עם עלית האנרגיה. זהו נסוי קריטי עבור המודל החדש. מאידך, ניסוי זה לא ישפר את מצבה של קיו-סי-די, תיאוריה שכשלה לחלוטין בענין התוצאות הידועות כבר עבור פיזור פרוטון-פרוטון. מאידך, אם התחזית בענין ירידת חתך הפעולה בפזור פיון-פיון תתאמת, אזי יסתבך מצבה של קיו-סי-די אפילו יותר. כך יהיה עליה לנמק מדוע הגרף עולה עבור פזור 3 קווארקים (ז"א פרוטון) על 3 קווארקים; מדוע הוא עולה עבור פזור 2 קווארקים (ז"א פיון) על 3 קווארקים; לעומת זאת מדוע הוא יורד בפזור 2 קווארקים על 2 קווארקים.

H. Haken and H. C. Wolf, Molecular Physics and Elements of Quantum Chemistry .1
(Springer, Berlin, 1995). P. 15
S. S. M. Wong, Introductory Nuclear Physics (Wiley, New York, 1998). P. 97 .2

מודעות פרסומת

פעולות

Information

6 responses

4 02 2010
חיים

קראתי בעיון רב את המאמרים המדעיים של אביך, ורעיון המונופולים יפה מאד, כי הוא יוצר סימטריה מלאה בין מונופול למטען חשמלי. חבל שאין מראה מקום גם למאמר The significance of density in the structure of quantum theories.
האם הסיבה שלא מצאו מונופול חפשי היא הערכים הקוונטים של הצבע של הקווארקים, במודל הסטנדרטי? אם תכונות הצבע של QCD אינן קיימות, מה גורם לכליאה של הקוורקים בגרעין?

4 02 2010
אליהו קומאי

Hi Khayim,

1. The link to the paper: "The significance of density in the structure of quantum theories" is

http://redshift.vif.com/JournalFiles/V14NO2PDF/V14N2COM.pdf

2. Quarks are not ionized because it is energetically much easier to produce a bound quark-antiquark pair, namely, a meson (about
140 MeV), than to ionize a quark. Therefore, an attempt to ionize a quark is similar to that of trying to fill a bottomless barrel.
(As a matter of fact, antiquarks are included in the proton's state. Hence, one even does not need to produce a quark-antiquark
pair. A struck quark can readily pick up an antiquark and come out as a meson.)

4 02 2010
חיים

עוד שאלה: האם יתכן אפקט בוהם-אהרונוב בין מונופול ושדה אלקטרומגנטי?

4 02 2010
אליהו קומאי

A. The AB effect does not use radiation fields.

B. The Regular Monopole Theory proves that there is no direct charge-monopole interaction. Charges and monopoles interact indirectly with the same radiation fields. Hence, matters of the AB effect are split into two non-interaction systems: that of charges and that of monopoles.

C. A link to a derivation of the Regular Monopole Theory is

http://www.tau.ac.il/~elicomay/nc84.pdf

23 05 2010
חיים טמס

האם המודל החדש שולל קיום סימטרית (3)SU כלשהי בין הקווארקים?

23 05 2010
אליהו קומאי

בעניין הקווארקים הופיעה החבורה (3)SU בשני הקשרים שונים.

1. בהקשר לשלושת "טעמי" הקווארקים uds שהיו ידועים בראשית שנות השישים של המאה הקודמת. זוהי סימטריה מקורבת אשר שימשה את התחזית בדבר הבריון אומגה מינוס. סימטריה זו נשארת בעינה גם במודל הכוחות החזקים המבוסס על המונופולים המגנטים.

2. בהקשר לשלושת הצבעים של קיו סי די. ברור שבמודל הכוחות החזקים המבוסס על מונופולים מגנטים אין "צבעים" ואין צורך בסימטרית (3)SU בין הצבעים.

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: