חוקי שימור במודל של קומאי

כידוע קיימים בפיזיקה מספר חוקים חשובים הנקראים "חוקי שימור", הידועים ביניהם הם חוק שימור האנרגיה וחוק שימור התנע. הפיזיקה מכירה בחוקי שימור נוספים.

חוקי שימור המטען החשמלי והמגנטי
אחד מחוקי השימור בתהליכים פיזיקאליים הוא חוק שימור המטען החשמלי, הקובע שהמטען החשמלי נשמר בכל התהליכים בטבע. חוק זה שימש את מקסוול כאבן הפינה שעליה הוא בנה את משוואותיו המפורסמות.

על פי המודל של קומאי, לקווארקים יש מטען מגנטי, ומכיוון שמטען זה אנלוגי למטען החשמלי, והמשוואות המקיימות מערכות של מטענים מגנטים אנלוגיות למשוואות האלקטרומגנטיות של מקסוול. אמור להתקיים גם חוק שימור המטען המגנטי. לכל הקווארקים מטען מגנטי בגודל יחידה שלילית, ולאנטיקווארקים מטען מגנטי בגודל יחידה חיובית.

חוק שימור המטען המגנטי מכניס אילוץ נוסף, ומתברר, שכל התהליכים הידועים שניצפו עד כה מקיימים אותו. למעשה, מספיק יהיה למצוא תהליך אחד אשר לא שומר על חוק זה, כדי לערער את מודל הכוחות החזקים של קומאי.

חוק שימור מספר הבריונים
על פי הניסיונות, מתקיים בכל התהליכים בטבע חוק שימור מספר הבריונים (פרוטון וניוטרון הינם דוגמאות לבריונים). על פי המודל של קומאי, כלל זה נשמר משום שבכל בריון יש ליבה, ומספר הבריונים הוא כמספר הליבות. הליבה מכילה גם אלמנט שאיננו קווארק והוא נושא מטען מגנטי חיובי. ניתן להרוס אלמנט זה רק על ידי הפגשתו עם אנטי-ליבה הנמצאת באנטי בריון. הריסה הדדית של ליבה עם אנטי-ליבה שומרת על המספר הבריוני

ישנן תיאוריות אשר רובן ממוקמות "מעבר למודל הסטנדרטי", הגורסות שקיימים תהליכים בטבע אשר אינם שומרים על מספר הבריונים. אחת התוצאות שלהן נקראת proton decay אשר שייכת למודל של גיאורגי וגלשואו, וגורסת שהפרוטון עשוי להתפרק לפיי-מזון ופוזיטרון. על פי המודל הסטנדרטי עשויים להיות גם תהליכים שבהם שלושה בריונים הופכים לשלושה אנטי-לפטונים. מרבית התיאוריות האלו, אשר לא שומרות על מספר הבריונים, גורסות שההפרש בין מספר הבריונים למספר הלפטונים הוא הגודל שנשמר.

למרות החיפושים הרבים שהושקעו במציאת תופעות של התפרקות הפרוטון לא נמצאה תופעה זו בטבע, וגם לא שום תהליך אחר אשר מפר את חוק שימור מספר הבריונים, בדיוק כפי שצופה המודל של קומאי. השאלה האם הפרוטון מתפרק נחשבת כיום לאחת הבעיות התיאורטיות הפתוחות החשובות בפיזיקה.

Strong CP Problem
תהליך פיזיקלי שומר על זוגיות אם הוא יתבצע באופן זהה גם ב"עולם ראי", שבו שמאל וימין הפוכים. (סימטריה זו מסומנת באות P). אינטראקציות אלקטרומגנטיות אכן שומרות על הזוגיות, כפי שנובע ממשוואות מקסוול. הכוח החלש, לעומת זאת, אינו שומר על זוגיות כפי שהתגלה כבר בשנות החמישים.

סימטריה נוספת מכונה "צימוד המטען" (מסומנת באות C). היא טוענת ששתי מערכות סגורות הזהות בכל, פרט לכך שכל המטענים של האחת הפוכים לאלה של השניה, תתנהגנה באופן זהה.

הניסוח המקורי של תיאורית QCD אמור היה לשמור על C, P ולכן גם על הצירוף CP. אולם תיאורית QCD משולבת במבנה תיאורטי רחב יותר, "המודל הסטנדרטי". מסתבר כי שכנות זו הדביקה אותה בתהליכים היפותטיים אשר אינם שומרים על [1] CP. מסיבה זו מופיע בנוסחאות של קיו סי די, פרמטר המכונה "טטא", אשר משיקולים שונים שיערו שגודלו יהיה בערך 1. על פי נוסחאות קיו סי די, פרמטר זה, אם הוא שונה מ-0, גורם להפרה של הזוגיות בתהליכים של הכוחות החזקים.

אולם מסתבר, שעל פי כל הניסיונות שנערכו עד כה, שומרים הכוח החזק והכח האלקטרומגנטי על זוגיות ועל צימוד המטען, ברמת דיוק של כעשר ספרות לפחות. עבור חסידי המודל הסטנדרטי מהוות תוצאות אלו בעייה הנקראת Strong CP Problem. בעייה זו נחשבת לאחת הבעיות הבלתי פתורות החשובות בתחום החלקיקים האלמנטרים.

על פי המודל של קומאי, מכיוון שהכוח החזק הינו מגנטי, הוא בעל נוסחאות אנלוגיות לכוח החשמלי ולכן תהליכים חזקים אמורים לשמור גם על הזוגיות וגם על צימוד המטען. מודל זה איננו משולב ב"מודל הסטנדרטי" ולכן אין הוא סובל משכנות זו. למעשה, אילו היה נמצא בניסיונות שהכוח החזק אינו שומר על זוגיות, כפי שצפו תומכי קיו סי די, היה המודל של קומאי נסתר.

באתר זה מתוארות שפע של סתירות של QCD כמות שהיא. כאן מסתבר כי QCD "סובלת" גם משכניה למודל הסטנדרטי, אשר מאלצים אותה לטעון לתחזיות משונות (כמו Strong CP Violation) אשר אין להן אחיזה במציאות.

I. I. Bigi and A. I. Sanda, CP violation, Cambridge, University Press, 2000. p. 269 .1