רדיוס הבריונים גדול מדי

אחד הגדלים המעניינים הוא רדיוס של חלקיק קוואנטי העשוי מחלקיקים הקשורים זה לזה. רדיוס החלקיק מאפשר במקרים רבים להבין את מהות החלקיקים והקשרים המרכיבים את אותו חלקיק.

כדי להבין כיצד ניתן להשתמש במידע זה, נסתכל על חלקיקים ידועים אשר המבנה שלהם מתקבל עבור מערכות קוואנטיות של מטענים חשמליים ונשווה את התוצאות למה שידוע על הדרונים, שהם חלקיקים הבנויים מקווארקים.

רדיוס של אטום מימן ורדיוס של הליום
נתבונן בכמה מצבים קוואנטים קשורים המקיימים את חוקי תורת החשמל. במקרה הפשוט ביותר, הפרוטון והאלקטרון יוצרים את אטום המימן. מקרה אחר הוא אטום ההליום, אשר בו יש גרעין המכיל מטען כפול (שני פרוטונים) ושני אלקטרונים.

בבדיקות שנעשו, מתברר שרדיוס ההליום קטן יותר מזה של המימן. מדוע? מכיוון שגרעין ההליום טעון בשני פרוטונים, הרי שהוא מושך את האלקטרונים חזק יותר, וכך רדיוסם קטן יותר מזה של המימן. כאשר מסתכלים על אטום הליתיום אשר מכיל שלושה פרוטונים ושלושה אלקטרונים, מתקבל שרדיוסו דווקא יותר גדול. זאת משום שהאלקטרונים של הליתיום לא נמצאים רק בקליפה אחת, כמו במקרה של המימן וההליום, אלא זקוקים לשתי קליפות. חישובים שנערכו לפי תורת הקוואנטים מאשרים תוצאות אלו.

אגב, הפוזיטרוניום, המכיל אלקטרון ופוזיטרון (אנטי-אלקטרון), שווה מבחינת המטענים שלו לאטום המימן, וגם רדיוסוו דומה לזה של המימן.

רדיוס של פיי מזון ורדיוס של פרוטון
הפרוטון מאופיין על ידי שלושה קווארקים. הפיי-מזון (או בקיצור: פיון), מורכב מקווארק ואנטיקווארק שהם בדיוק מאותו סוג קווארקים הנמצאים בפרוטון. הממצאים הניסיוניים מראים שלפיון רדיוס קטן במקצת מזה של הפרוטון.

כיצד זה יתכן? מהמודל של קומאי, נובע שבפרוטון ישנה ליבה הנושאת 3 מטענים של מונופול מגנטי והיא מושכת 3 קווארקים. מניתוח התוצאות הנסיוניות של פזור פרוטון-פרוטון מסתבר שהפרוטון מכיל גם קליפות פנימיות של קווארקים. מסיבה זאת רדיוסו גדול יותר. המצב אנלוגי לזה של אטום הליתיום, אשר רדיוסו גדול יותר משום שהאלקטרונים שלו נמצאים בשתי קליפות, ולא רק בקליפה אחת.

המודל של קומאי טוען שבכל הבריונים קיימת ליבה המכילה קליפות של קווארקים. אמנם אין מדידות רדיוס של בריונים רבים בגלל אורך החיים הקצר של רובם, אך המדידות הקיימות מתישבות עם המודל של קומאי. לדוגמא, המזון קיי פלוס בנוי מהקווארקים u ואנטי s. הקווארק s כבד יותר מהקווארק d אשו בפיון. ואכן בהתאמה לחוקים האלקטרומגנטיים, קטן הרדיוס של הקיי מזון מזה של הפיון. גם בבריונים מוצאים את אותה התופעה. הבריון סיגמא מינוס מכיל קווארק s שהינו כבד יותר, ולכן רדיוסו קטן מזה של הפרוטון. ההשוואה בין הבריון סיגמא מינוס לקיי מזון (אשר שניהם מכילים קווארק s) מראה שרדיוסו של הקיי מזון קטן יותר מזה של סיגמא מינוס, בהתאמה להנחה שהבריון מכיל קליפות פנימיות.

סיכום
ראינו כאן כמה דוגמאות של רדיוסים של חלקיקים הבנויים מקווארקים. הדוגמאות מאשרות שהמערכות מתנהגות בהתאם למה שמצופה מתורת הקוואנטים ומהחוקים האלקטרומגנטיים. המודל של קומאי, המסתמך על התיאוריה הרגולרית של המונופולים המגנטים, הינו בעל מבנה דואלי לתורת החשמל. לכן התוצאות שנדונו כאן תומכות במודל זה, ומספקות אישוש נוסף להנחה שיש ליבה מסיבית לא טריביאלית בתוך הבריונים, בניגוד למודל הסטנדרטי.