כליאה, חופש אסימפטוטי ותופעות אחרות

6 06 2010

ישנן מספר תופעות המוסברות בהצלחה על ידי QCD. נתייחס כאן למפורסמות ביותר, אשר יש הרואים בהן הוכחה לנכונותה של התיאוריה.

כליאה וחופש אסימפטוטי
כאשר מפציצים פרוטונים באלומות אנרגטיות של אלקטרונים מתקבלות שתי תופעות הנראות לכאורה נוגדות זו את זו. מצד אחד, הקווארקים בפרוטון נראים כחופשיים, כלומר כאשר פוגע בהם אלקטרון אנרגטי מאוד, אז אנרגיית הקשר שלהם נראית חלשה מאוד ביחס לאנרגיה של האלקטרון הפוגע. מכאן, לכאורה, סביר שאם האלקטרון הפוגע הינו אנרגטי מספיק, הוא יוכל לנתק את הקווארק מתוך הפרוטון. אולם הניסיון מראה כי לא ניתן לנתק קווארק בודד מתוך הפרוטון, גם באלומות אנרגטיות מאוד.

שתי תופעות אלו, הנקראות חופש אסימפטוטי ( asymptotic freedom ) וכליאה ( confinement ) מוסברות במסגרת QCD על ידי כך שכוח המשיכה הפועל בין הקווארקים מתגבר ככל שהקווארקים מתרחקים זה מזה. רעיון זה מסביר את שתי התופעות, אך הוא מייחס לכוח החזק תכונה הפוכה בהשוואה לכל מה שידוע לגבי כוחות בסיסיים אחרים בטבע. השאלה הנדונה כאן היא האם ההסבר שמספק QCD לתופעות הללו הוא ההסבר היחידי האפשרי.

התכונה אשר על פיה מתנהגים הקווארקים בחופש יחסי לחלקיק הפוגע, ידועה זה מכבר במודל האטום. שם היא נקראת "פיזור קומפטון”, הנוצר כאשר פוגעים באלקטרונים עם פוטונים אנרגטיים. השאלה היא מדוע לא ניתן לנתק את הקווארק מתוך הפרוטון, בעוד שבאטום מצליחים פוטונים אנרגטיים לנתק (כלומר, ליונן) אלקטרונים.

ההסבר של קומאי
ההסבר שמציע קומאי מתבסס על תופעות ידועות. זה מכבר ידוע שכאשר פוגעות אלומות אלקטרונים אנרגטיים בפרוטון, כמעט כל ההתנגשויות הינן התנגשויות לא-אלסטיות, כלומר, יוצרות חלקיקים חדשים.

ידוע שכאשר חלקיק ואנטי-חלקיק שלו נפגשים הם מחסלים זה את זה ומשחררים אנרגיה השווה לסכום המסות שלהם. לשם דיוק, מדובר כאן בסכום המסות בזמן ההתחסלות, אשר יכול להיות גדול מסכום מסות המנוחה שלהם אם יש להם אנרגיה קינטית, או קטן מסכום מסות המנוחה אם יש להם אנרגיית קשר.

באופן דומה מתרחש התהליך ההפוך. במקרה שלחלקיק כלשהו יש אנרגיה רבה, יכולים להיווצר חלקיק ואנטי חלקיק, המורידים את האנרגיה של החלקיק המקורי באופן השקול לאנרגיה של המערכת שנוצרה. במקרה של הפרוטון נוצר בדרך כלל זוג קשור של קווארק-אנטיקווארק, כלומר מזון.

יצירה והריסה של זוגות היא תופעה ידועה בפיזיקה. במקרה של אלקטרון ופוזיטרון, אשר אנרגיית הקשר שלהם קטנה מאד ביחס למסתם, נוצרים אלקטרון ופוזיטרון חופשיים. עבור קווארקים, אנרגית הקשר בולעת את מרבית המסה העצמית, ולכן נוצרים זוגות קשורים, כלומר מזונים.

מה קורה בפרוטון המופגז על ידי אלקטרונים? כאשר הקווארק סופג מהלומה ומתווספת לו אנרגייה רבה, נוצרים, בדרך כלל, מזונים המורכבים מקווארק ואנטיקווארק, ומורידים באופן זה את רמת האנרגייה של הקווארק הנפגע. אילו היה קווארק בודד של הפרוטון מצליח לצאת מתוכו, סביר שהאנרגייה שלו הייתה אלפי MeV. אולם, כדי לייצר פיי מזון, למשל, מספיקים 140 MeV. כך, הרבה לפני שהקווארק יוצא מחוץ לפרוטון, יכולים להיווצר זוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק. במקרה של היווצרות זוג קווארקים הוא יכול גם לחבור לאנטיקווארק של זוג שנוצר. בנוסף, ידוע שהפרוטון כולל זוגות של קווארקים ואנטיקווארקים, וכך יכול הקווארק שהתנגש באלקטרון לספח אנטיקווארק, להפוך למזון ולצאת מחוץ לפרוטון.

כלומר הרבה יותר קל לקווארק בודד לייצר זוגות חלקיקים או להצטרף לאנטיקווארק אשר נמצא ממילא בפרוטון, מאשר להתגבר על מחסום הפוטנציאל שיוצרת הליבה.

ומכאן, ניתן להסביר את התופעות גם ללא שימוש בהסבר שמספק QCD לחופש האסימפטוטי ולכליאה. מה עוד שתכונת ה"כליאה", אשר חייבת להיפסק במרחק מתאים ממרכז הפרוטון, מצריכה הסבר (מלאכותי למדי) מדוע היא נפסקת.

היתרון בהסבר של קומאי – מדוע מזונים לא נכלאים בפרוטון
על פי QCD, לא ברור מדוע זוגות קווארקים אשר נוצרו בהתנגשויות אנרגטיות יכולים להתגבר על ה"כליאה", ולצאת מחוץ לפרוטון. לכאורה, הכוחות המתוארים על ידי QCD אמורים להחזיק גם את זוגות הקווארקים החדשים ב"כלא" בתוך הפרוטון. ככל הידוע לנו, העניין כלל לא נדון. עניין זה נראה כסתירה נוספת של QCD.

ההסבר של קומאי לתופעה הוא פשוט: למזונים יש קווארק ואנטיקווארק, ולכל אחד מטען מגנטי הפוך, ולכן סכום המטענים המגנטיים שלהם מתאפס. מכיוון שהכוח החזק הינו כוח מגנטי, אין הוא מושך זוג אשר המטען המגנטי שלו הינו אפס.

ניסוי שלושת הסילונים
במעבדות פטרה הפגישו אלומות אנרגטיות של אלקטרונים ופוזיטרונים. ההתנגשות של שני חלקיקים אלו מובילה לעיתים להשמדה של שניהם ויצירת אנרגיה גדולה. במצב זה נוצר במקרים רבים זוג של חלקיק ואנטי חלקיק חדשים שנעים בכיוונים מנוגדים. לפעמים זוג זה הוא זוג של מיואון ואנטי-מיואון, אך לעיתים נוצרים קווארק ואנטיקווארק. גם הקווארק וגם האנטיקווארק יוצרים "סילון" של חלקיקים. תהליך זה קורה בגלל האינטראקציה החזקה הפועלת על הקווארקים. מדעני הקיו סי די חזו שלעיתים ייווצרו שלושה סילונים, ולא רק שניים. על פי פרשנותם, הסילון השלישי הוא סילון הנוצר מגלואון. ואכן, התגלה שמדי פעם נוצרים שלושה סילונים בהתנגשויות אלו [1].

לפני שנמשיך ונראה כיצד תופעה זו תואמת את המודל של קומאי, כדאי לשים לב לעניין הבא: כפי שמצויין בספרות, תוצאה נסיונית זו נחשבת להוכחה משמעותית לקיומם של הגלואונים [2]. מאחר שהגלואונים אינם קיימים כחלקיק חפשי, הרי כל ההוכחות הנסיוניות לקיומם הן בלתי ישירות. הקורא מוזמן לשפוט בעצמו האם שלושה סילונים הנוצרים בהתנגשות של אלקטרון ופוזיטרון מספיקים גם כדי לקבל את הגלואונים יחד עם כל תיאוריית QCD והנחותיה הפנטסטיות וגם כדי להשלים עם שלל הסתירות הנסיוניות של תיאוריה זו, אשר חלקם נדון באתר זה.

תהליך ידוע מתורת החשמל נקרא "ברמשטראלונג" והוא תהליך המביא לפליטת פוטון באינטראקציה בין מטענים חשמליים. התהליך במטענים חשמליים הוא חלש יחסית משום שהוא תלוי בחזקה הששית של המטען. (לפי שיטת היחידות המקובלת בחישובים, ריבוע המטען החשמלי הוא 1/137.) באופן כללי ניתן לתאר את QCD כהכלאה של תורת החשמל עם מבנה מתימטי מסובך מאד. בין היתר, הגלואון של QCD אנלוגי לפוטון של תורת החשמל. כך העבירו מדעני QCD את רעיון הברמשטראלונג למסגרת QCD והשתמשו בו כדי לחזות פליטה של גלואון.

אולם, השימוש בברמשטראלונג תופס לגבי המודל של קומאי. תהליך זה יוצר פליטה של פוטון אנרגטי, משום שהקווארקים הינם מונופולים מגנטיים אשר ריבוע המטען המגנטי שלהם גדול פי 100 בערך מהמטען החשמלי. וכך, באופן אנלוגי לחלוטין לתהליך החשמלי שבו נפלט פוטון, נפלט כאן פוטון בסבירות הרבה יותר גבוהה. כאן מופיע היתרון בהסבר של קומאי: הרי כבר ידוע במשך קרוב לחמישים שנה שפוטונים אנרגטיים מעורבים באינטראקציות חזקות – כזכור מאותו הסבר לקוי של תיאוריית ה VMD. וזהו בדיוק הפוטון האנרגטי אשר יצר את הסילון השלישי בפטרה.

אפשר לראות, שאצל קומאי העניין מתקבל באופן טבעי ממה שידוע זה מכבר: הברמשטראלונג המקורי התייחס לפוטונים וגם כאן מדובר בפוטון; התופעה המקורית משתמשת בנוסחאות של מטענים חשמליים, וכאן מדובר בקווארקים שהם מונופולים מגנטיים המקיימים נוסחאות אנלוגיות לתורת החשמל. ובנוסף, מדובר בתופעה הידועה זה זמן רב ואינה מצריכה הנחות חדשות, והיא שפוטונים אנרגטיים משתתפים באינטראקציות חזקות.

תופעות נוספות
ל-QCD מיוחסות מספר עבודות פיזיקאליות בלתי תלויות, אשר לדעת קומאי הינן נכונות. כך למשל, עבודתם של ריצרד פיינמן וג'יימס ביורקן, אשר הובילה לניסויים ב-SLAC בשנת 1969 שסיפקו אישור נוסף לקיומם של הקווארקים, נראית לקומאי כעבודה טובה ובעלת חשיבות היסטורית משמעותית, שהרי מבנה ההדרונים שמציע קומאי מושתת על קווארקים כאלה. גם תהליך דרל-יאן, המיוחס לפעמים ל-QCD, נראה לקומאי כעבודה טובה.

עבור פיזיקאים המעוניינים להבין באופן מתומצת את ההקבלה בין QCD והמודל של קומאי, ולהסיק מכך אלו חלקים בQCD מאותגרים על ידי המודל של קומאי, ניתן לסכם את הדברים כך: QCD היא תורה פיסיקאלית המתקבלת מהלגראנז'יאן של QCD. זוהי הרחבה (מסובכת מאד) של התורה האלקטרומגנטית לחבורת יאנג-מילס המכונה (SU(3. לעומתה מציע קומאי מבנה דואלי לתורה האלקטרומגנטית שבו מונופולים מגנטים (בעלי יחידת מטען אלמנטרית גדולה יחסית) ממלאים את תפקיד המטען. המערכת מקיימת את התיאוריה הרגולרית של מטענים ומונופולים והיא מתקבלת מלגראנז'יאן רגולרי [3,4].

http://cerncourier.com/cws/article/cern/39747 .1
http://en.wikipedia.org/wiki/Gluon .2
http://www.tau.ac.il/~elicomay/nc84.pdf .3
http://www.tau.ac.il/~elicomay/nc95.pdf .4

מודעות פרסומת

פעולות

Information

כתיבת 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: