פיסיקה - צפונות החומר מסתרי היקום

01.01.1999
01-01-1999
 
הפיסיקאים של מכון ויצמן משתתפים במאמץ העולמי שנועד לחשוף את סודותיו של עולמנו הגשמי. פיסיקאי מהמכון העלה את ההשערה בדבר קיומו של הקווארק "עליון", והציע תיאוריה שלפיה גם קווארקים אינם חלקיקים בסיסיים ממש, כלומר, שגם הם מכילים חלקיקים בסיסיים מהם. לפי התיאוריה הזאת, כל החלקיקים המוכרים כיום בנויים משילובים שונים של שני חלקיקים בסיסיים הקרויים "תוהו" ו"בוהו". פיסיקאים אחרים חוקרים את המקומות המסתוריים של הקרינה הקוסמית.
 
יחד עם עמיתים ממוסדות שונים בעולם מבצעים פיסיקאים הניסיונאים של המכון ניסויים מתקדמים במעבדה האירופית לפסיקת החלקיקים (סרן) שליד ג'נבה, ובמעבדת "דייזי" שבהמבורג, גרמניה, במטרה להבין טוב יותר את מבנה החומר ואת הכוחות הפועלים בו. במסגרת זו תרמו הפיסיקאים של המכון לזיהוי של חלקיק הקרוי גלואון, הנושא את הכח הגרעיני החזק. פיסיקאים אחרים מפעילים לייזרים בשורה ארוכה של שימושים חדשים ורבי-עצמה.
 
מדענים הפועלים בתחום החדש של הפיסיקה המזוסקופית, חוקרים את "איזור הדמדומים" שבין עולם החפצים הגדולים שבו שולטת תורת היחסות הכללית, לבין העולם המיקרוסקופי שבו שולטת תורת הקוואנטים. מדעני הפיסיקה המזוסקופית מגדלים גבישים שעוביים אינו עולה על אטומי חומר ספורים. מחקרים אלה עשויים להעמיד לרשות הטכנולוגיה העתידית, שבבי מחשב זעירים ומהירים לאין שיעור מאלה המצויים בידינו בהווה.
 
 
 
 
 

 

היכרות מאוחרת

מדעני המכון זיהו, באמצעות גלאי חלקיקים המבוססים על אמולסיות צילומיות, חלקיק בעל תכונות לא מוכרות ולא צפויות. במשך כעשור שנים נותר האירוע הזה בגדר חידה, אבל עם התגלותו של החלקיק אומגה מינוס, התברר שהחלקיק המסתורי שהותיר את חותמו בגלאי החלקיקים של מדעני המכון היה, ככל הנראה, אומגה מינוס. גילוי החלקיק הזה אישר את התיאוריה הידועה בכינוי "דרך השמונה", שלפיה תכונות מסוימות של חלקיקים (כגון "מוזרות", או מטען חשמלי) יכולות לקבל ערכים קבועים בלבד (למשל, מספרים שלמים, מספרים חצויים ועוד).
 
 

 

חלקיקים מתנגשים

מדעני המכון שעסקו בחקר תופעת ה"דואליות" בפיסיקה של חלקיקים הדרונים (פרוטונים, ניטרונים, פיונים, ועוד), פיתחו את הנוסחה המתארת את פיזורם של חלקיקים לאחר שהם מתנגשים זה בזה (לרבות המקרים שבהם שני החלקיקים המתפזרים שונים מהחלקיקים ה"מקוריים" שהתנגשו זה בזה). נוסחה מפורשת זו העניקה תנופה להבנת תהליכי הפיזור בין חלקיקים (הדרונים) מתנגשים.
 
 

 

שני צדדים למטבע

מדעני המכון הציגו לראשונה, באמצעות דיאגרמות, את תופעת ה"דואליות" המתבטאת באפשרות לתאר בשתי דרכים את פיזור החלקיקים לאחר התנגשות. תיאור אחד מתבסס על מסלולי התנועה של החלקיקים הנכנסים ל"איזור ההתנגשות", ואילו התהליך השני מתבסס על מסלול של חלקיק אחד הנכנס ל"איזור ההתנגשות" ומסלול של חלקיק אחד שיוצא (למעשה, ניתז) ממנו.
 
הצגת התופעה הזאת באמצעות דיאגרמות קידמה את היכולת של מדענים בכל העולם להבין את תהליכי הפיזור המתחוללים בעת התנגשויות של חלקיקים (הדרונים). התנגשויות כאלה מבוצעות במאיצי חלקיקים, במטרה ללמוד על מבנה החומר.
 
 

 

פיזור עמוק

מדעני המכון השתמשו במרכיבים מתורת השדות, ויישמו אותם בהבנת תהליכים של פיזור אי-אלסטי עמוק המתחולל בהתנגשויות בין אלומה של חלקיקים לפטונים (דוגמת אלקטרונים) לבין חלקיקים הדרונים (דוגמת פרוטונים וניטרונים). מחקרים אלה מאפשרים לגלות את המבנה הפנימי של ההדרון שבו מתנגשת אלומת הלפטונים. בדרך זו אושר בניסוי, כי ההדרונים מכילים חלקיקים בסיסיים מהם: הקווארקים. במחקרים אלה הוצע "הפיתוח שליד חרוט האור" למכפלות של זרמים אלקטרו-מגנטיים וחלשים (זרם חלש הוא זרם של החלקיקים הנושאים מטענים של הכוח החלש). זרמים כאלה ממלאים תפקיד חשוב בביטויים עיוניים של תהליכי הפיזור של חלקיקים מתנגשים.
 
הבנת הפיזור האי-אלסטי העמוק סייעה רבות בהבנת ממצאים שהושגו במאיצי חלקיקים במקומות שונים בעולם, שבהם נחקר המבנה הבסיסי של החומר. בשלבים מאוחרים יותר בוטאו האנרגיה והתנע של חלקיקים הדרונים באמצעות מכפלות זרמים של חבורות לא אבליאניות. ביטויים אלה משמשים כיום בחקר התורות הקונפורמיות ותורות המיתרים.
 
 

 

מבחן סף

מדעני המכון תרמו לפיתוח שיטה לבחינת מודלים מוצעים שונים באשר למבנה החומר. שיטה זו - המבוססת על "משוואות האנומליה" המתארות את הקשר שבין תכונותיהם של זרמי הכוח האלקטרו-מגנטי והכוח החלש, משמשת כלי מדעי מרכזי בתחום זה. מודלים מוצעים, שאינם מצליחים לעבור את ה"סף" של שיטת הבחינה של מדעני המכון, נפסלים; ועם זאת, אין במעבר ה"סף" הזה כדי להוכיח את נכונותו של מודל מוצע (לשם כך נחוצות בחינות נוספות).
 
 

עליונים ותחתונים

 
 
 
החלקיקים הבסיסיים ביותר של החומר הם הקווארקים (שמהם מורכבים גרעיני האטומים), והלפטונים (שהידוע מהם הוא האלקטרון). בשנת 1975 הכירו המדענים ארבעה סוגי קווארקים וארבעה סוגי לפטונים. מדען מהמכון, שביקש להסביר תופעות טבע שונות שהתגלו באותו זמן, הצביע אז על כך שהדרך היחידה לעשות זאת, היא להניח שבטבע קיימים ששה סוגי קווארקים וששה סוגי לפטונים. הוא גם קבע את שמותיהם של שני הקווארקים שהיו באותה עת תיאורטיים: הקווארק החמישי ("תחתון", או BOTTOM), שהתגלה בפועל בשנת 1977, והקווארק הששי ("עליון", או TOP), שהתגלה בפועל בשנת 1994.
 
ששת הקווארקים וששת הלפטונים ממלאים, בין היתר, תפקיד חשוב בתהליך בריאת היקום, וכן בתחום הקוסמולוגיה. בשנת 1988 הציע המדען מהמכון שהלפטון הששי (הניטרינו המשמש "בן זוג" לחלקיק הטאו), ממלא תפקיד חשוב בעיצוב מבנה היקום, וייתכן שהוא גם מהווה חלק ניכר מ"החומר האפל" שממלא את רחבי היקום. השערה זו נבחנת עכשיו בניסוי המבוצע במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים (סר"ן), שליד ג'נבה.
 
 

 

תוהו ובוהו

הפיסיקאים, בדרך כלל, שואפים אל הפשטות המרבית. את שלל חלקיקי החומר, למשל, הם שואפים לראות כ"פנים שונות" או "הרכבים שונים" של מעט חלקיקים בסיסיים. לפי התיאוריה המקובלת של מבנה החומר, "המודל הסטנדרטי", נחלקים חלקיקי החומר לשתי קבוצות עיקריות: ששה לפטונים (האלקטרון, דומיו וחלקיקי הניטרינו), וששה קווארקים, שביניהם נעים חלקיקים "נושאי כוחות" שונים. מדען מהמכון הציע תיאוריה שמפשטת את תמונת המצב המורכבת הזאת. לפי התיאוריה הזאת, הקווארקים והלפטונים אינם חלקיקים בסיסיים ממש, כלומר, גם הם מכילים חלקיקים בסיסיים מהם המכונים "ראשונים". התיאוריה הזאת מראה את כל החלקיקים המוכרים לנו כיום כשילובים שונים של שני סוגי חלקיקים "ראשונים" בלבד, הקרויים "תוהו" ו"בוהו".
 
 

 

החבורה

מדעני המכון פיתחו שיטה מתמטית מקורית לשימוש בחבורות לצורך מיון של חלקיקים לקבוצות ("משפחות") שונות. שיטה זו איפשרה לזהות תכונות משותפות בין חלקיקים שלמראית עין אין ביניהם שום "מכנה משותף". שיוך החלקיקים ל"משפחות" איפשר לחוקרים לדעת ולחזות תכונות שונות של חלקיקים, גם בטרם נצפו בניסוי. שיטה זו שימשה כלי מרכזי בחקר החלקיקים הבסיסיים של החומר, וסייעה, בין היתר, גם לאישור קיומם של הקווארקים.
 
 

 

אלקטרונים מקוטבים

מדעני המכון פיתחו שיטה למדידת הקיטוב של אלקטרונים שמקורם בפליטת קרינה רדיו-אקטיבית מסוג ביתא. באמצעות השיטה הזאת נמצא כי האלקטרונים של קרינת הביתא מקוטבים תמיד בקיטוב שמאלי. ממצא זה סייע להבנת אופיה של קרינת ביתא. בהמשך שימשה השיטה לתכנון ולבניית מתקני מדידה לצורכי מחקר.
 

 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם