על זוגיות והתפרקות

 

 

 

בעולמם של בני-האדם, לרוע המזל, הזוגיות לא תמיד נשמרת. אבל התגלית,  שאלה הם פני הדברים גם בעולמם של חלקיקיהחומר הבסיסיים, הרעישה את עולמם של הפיסיקאים. זה קרה לפני 50 שנה. בחודש ספטמבר 1957 התקיים במכון ויצמן למדע הכינוס הבין-לאומי למבנה הגרעין. היה זה הכינוס המדעי הבין-לאומי הראשון בישראל, ועצם קיומו כאן נחשב לציון דרך בהתפתחות המדינה. השתתפו בו 220 פיסיקאים בכירים מ-19 מדינות. בארוחה החגיגית של פתיחת הכינוס, שהתקיימה באולם סן מרטין, השתתפו, בין השאר, ראש הממשלה, דוד בן-גוריון ושרת החוץ גולדה מאיר.

 

אחד הנושאים המרכזיים בכינוס היה תגלית מרעישה, שנובאה בשנת 1956, והוכחה ניסיונית בשנת הכינוס - 1957. עד לאותה תגלית סברו הפיסיקאים, שלכל תהליך אפשרי יכול להתקיים גם "תהליך בבואה" שכשמו כן הוא: הוא זהה לתהליך המקורי, אלא שהוא הפוך כתמונת מראה. באותה מידה, לכל חלקיק יש "חלקיק בבואה". זהו היבט אחד של תופעה המכונה "שימור הזוגיות". אבל תצפיות וחישובים של התיאורטיקאים טי. די. לי, וסי. אן. יאנג מאוניברסיטת קולומביה הראו, שחלקיקי ניטרינו מופיעים תמיד כמעין בורג שמאלי, ולא קיים ניטרינו בבואה ימני. במילים אחרות, הזוגיות - לפחות לפי התצפיות והחישובים - אינה נשמרת. 

 

פרופ' שיין שונג וו, שנודעה בכינוי "מדאם וו", גם היא מאוניברסיטת קולומביה, ביצעה את הניסוי הראשון שהוכיח את תצפיתם ואת חישוביהם של לי ויאנג. כדי לעשות זאת היה עליה לבנות מערכת שהספין (תנע זוויתי פנימי) של כל הגרעינים הכלולים בה מכוון בכיוון אחד (דבר שמחייב קירור המערכת לטמפרטורה של כמה אלפיות מעלה מעל לאפס המוחלט). בשלב זה התפרקו הגרעינים כתוצאה מפעילות הכוח החלש ופלטו קרינת ביתא (אלקטרונים וניטרינים). למעשה, אין אפשרות לצפות בניטרינים במערך זה, אבל השפעתם על האלקטרונים מורגשת. פרופ' וו הראתה כי, כמצופה, מספר   אלקטרונים הנפלטים בכיוון הספינים של הגרעינים במערכת גדול בהרבה ממספר האלקטרונים הנפלטים בכיוון ההפוך. כלומר, הזוגיות אכן אינה נשמרת (לו הייתה הזוגיות נשמרת, היו האלקטרונים נפלטים לשני הכיוונים בכמויות שוות).

 

אי שימור הזוגיות מאפיין את הכוח הגרעיני החלש, ואילו הכוח הגרעיני החזק והכוח האלקטרו-מגנטי שומרים על הזוגיות. אולם לימים, כאשר הכוח החזק, הכוח החלש והכוח האלקטרומגנטי שולבו בתיאוריה אחת - המודל הסטנדרטי - נבע מהמודל שגם בגרעין האטום, שבו פועל הכוח החזק, צריכה להיות מנה קטנה - כאחד למיליארד - של אי שימור זוגיות. קנת קריין הצליח בשנת 1971 לאשר את התופעה הזאת בגרעין הפניום 180, ועד עתה זו הדוגמה הברורה היחידה לתופעה זו.

 

מסיבות שונות עלה באחרונה הרצון לשחזר את הניסוי הזה. רצון זה הוביל את הפרופסורים מיכה הס וגבירול גולדרינג, מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים במכון ויצמן למדע, לשיחזור ולשיכלול הניסוי. השיחזורבוצע במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, CERN, והשתתפו בו גם החוקרים הבתר-דוקטוריאליים לקשמי סונדרה וס. ק. שאמולי, ומדענים נוספים מאנגליה ומבלגיה.

 

לצורך שיחזור הניסוי יצרו המדענים גרעינים של האיזוטופ הפניום 180 ברמה  מעוררת בעלת זמן מחצית החיים של חמש שעות. גרעינים אלה "הושתלו" בעלה דק של ברזל שנמצא בשדה מגנטי בטמפרטורה של כמה אלפיות מעלה מעל האפס המוחלט. כתוצאה מכך, רוב הספינים של הגרעינים כוונו בכיוון אחד - בדומה לניסוי המקורי של מדאם וו, אלא שגרעיני ההפניום מתפרקים באמצעות פליטה של קרינה אלקטרו-מגנטית (קרני גאמה) ולא באמצעות התפרקות ביתא. המדענים מדדו את קרינת הגאמה שנפלטה בכיוון הספינים ובכיוון הפוך, ומצאו ששיעורי הפליטה לשני הכיוונים המנוגדים אינם שווים. כך הצליחו להוכיח - שוב - שבתנאים מסוימים הזוגיות אינה נשמרת גם בעולמו של הכוח החזק.