תחזיות כושלות של המודל הסטנדרטי

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