עוד הוכחות לכוחות דחייה בפרוטון

19 05 2010

כבר לפני זמן רב, הסתבר שמבנה החומר שונה מאוד מהתפיסה האינטואיטיבית התמימה שלנו.

זוגות נוספים של חלקיק ואנטי חלקיק
על פי תורת השדות שהחלה להתפתח בעקבות תורת הקוואנטים, מצב קוואנטי חד-חלקיקי איננו תיאור מדויק של המציאות. זוהי הסיבה שגרמה לניסוח התורה המכונה אלקטרודינמיקה קוואנטית על ידי שווינגר, פיינמן וטומונגה. מיד לאחר מכן הוכיח דייסון שהניסוחים הללו אקויואלנטים. מסתבר כי חלקיקי דיראק נמצאים בו זמנית במספר מצבים, אשר בחלקם קיימים זוג או זוגות נוספים של חלקיק ואנטי חלקיק מאותו סוג. האלקטרון, למשל, קיים גם כאלקטרון בודד וגם כשני אלקטרונים ופוזיטרון וכו'.

מדידות שנעשו בשנת 1947 על ידי וויליס לאמב ורוברט רתרפורד הראו שאכן קיימת תזוזה קטנה ברמות האנרגיה של אטום המימן ביחס למה שצפוי על פי משוואת דיראק עבור אלקטרון בודד. מדידה זו שללה את התפיסה החד-חלקיקית ואישרה את התורה המכונה אלקטרודינמיקה קוואנטית. ההזזה שנמדדה נקראת הזזת לאמב, והיא קטנה מאוד – בערך בסיפרה השישית. זאת משום שלכל מצב ישנה הסתברות, ועבור האלקטרון, ההסתברות שהאלקטרון חורג מהמצב החד-חלקיקי היא ממש קטנה. מדידה מדויקת של המומנט המגנטי של האלקטרון הביאה לאותן מסקנות.

בתוך ההדרונים המצב שונה. היות והכוח החזק הינו חזק הרבה יותר ממקבילו החשמלי, הרי שאפקט זה של תורת השדות, המנבא את קיומם של זוגות נוספים של קווארק ואנטיקווארק, מקבל ביטוי מפורש. לכן הצליחו לערוך נסיונות שהוכיחו באופן ישיר, שקיימים אנטיקווארקים בפרוטון. אנטיקווארקים אלה נובעים מההיסתברות של תוספת של זוג אחד או יותר של קווארק-אנטיקווארק לפונקצית הגל המתארת את הפרוטון. מדידות שנערכו מראות שיש בממוצע כחצי זוג נוסף בכל פרוטון [1].

האנטיקווארק בחלקו החיצוני של בפרוטון
מדידות הראו שהאנטיקווארקים נוטים להימצא יותר בחלק החיצוני של הפרוטון [2]. מדוע? על פי המודל של קומאי, הליבה בעלת מטען מגנטי חיובי והקווארקים שהם בעלי מטען מגנטי שלילי נמשכים אליה. לאנטיקווארקים מטען מגנטי חיובי, והם נדחים על ידי הליבה, ולכן נמצאים האנטיקווארקים באיזור החיצוני.

למודל הסטנדרטי אין הסבר לתופעה זו. יתר על כן, הפיי מזון (המכונה פיון) בנוי מזוג קשור של קווארק ואנטיקווארק מאותו סוג כמו אלה שבפרוטון ורדיוסו קטן מרדיוס הפרוטון. פרושו של דבר, קווארק בודד יכול לכלוא אנטיקווארק בתוך כדור שרדיוסו קטן מרדיוס הפרוטון. לפי המודל הסטנדרטי וקיו סי די, אין בפרוטון חלקיקים מסיבים זולת הקווארקים המושכים זה את זה. לכן לא ברור מדוע 4 קווארקים (3 הקווארקים המקוריים של הפרוטון ובן זוגו של האנטיקווארק הנדון) אינם מצליחים לכלוא את האנטיקווארק לפחות באותו נפח בו הם נמצאים.

פיזור המטען החשמלי בתוך הניוטרון
תופעה נוספת, היא שבניוטרון נוטים המטענים החשמליים להימצא באיזור חיצוני יותר מאשר המטענים החיוביים. בניוטרון ישנו קווארק u בעל מטען 2/3 ושני קווארקים d בעלי מטען 1/3-. גם בניוטרון, כמובן, ישנם זוגות נוספים של קווארק ואנטיקווארק. על פי הניסיון, ישנם בניוטרון יותר זוגות של קווארקים נוספים מסוג u ואנטי u מאשר d ואנטי d. הסיבה לכך נובעת מעיקרון פאולי, שאינו מאפשר לקווארקים מאותו סוג להימצא באותו מצב. לכן, לעומת הקווארק הבודד מסוג u, שני הקווארקים מסוג d מקשים יותר על הוספת זוגות מסוג זה. אגב, בפרוטון המצב הפוך: יש יותר זוגות d ואנטי d, משום שבפרוטון יש שני קווארקים מסוג u ורק אחד מסוג d.

כפי שראינו קודם, נדחים האנטיקווארקים לאיזור חיצוני יותר. היות והאנטיקווארק בניוטרון הוא בדרך כלל אנטי u אשר לו מטען 2/3-, הרי שכאשר האנטיקווארק הוא מסוג u המטען החשמלי השלילי ימצא צמוד יותר לאיזור החיצוני. להימצאותו של אנטיקווארק מסוג d ישנה סבירות קטנה יותר, וגם עוצמת המטען שלו יותר קטנה (רק 1/3), ולכן הוא איננו מטשטש את תרומת המטען השלילי של האנטיקווארק מסוג u.

גם לתופעה זו אין למודל הסטנדרטי שום הסבר.

p. 281 of D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics .1
(Addison-Wesley, Menlo Park, CA, 1987)
2. התבונן בגרף של האנטיקווארק של [1]. רוחב X הקטן יותר של האנטיקווארקים מעיד על תנועת פרמי קטנה יותר ועל נפח גדול יותר במרחב התלת-מימדי.

מודעות פרסומת

פעולות

Information

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: