המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים: עושים סדר בבלגן

מהם החלקים היסודיים ביותר שמהם כולנו מורכבים? אני, אתם, כדור הארץ, הכוכבים, הגלקסיות?

זו שאלה חשובה שהטרידה פילוסופים עוד ביוון העתיקה, לפני כ-2500 שנים, וניתן למצוא שתי תפיסות מרכזיות בנושא; לפי דעתו של פָּרְמֶנִידֶס, כל האובייקטים ביקום מורכבים מחומר רציף, ולמרווחים ריקים אין אפשרות להתקיים בתוך החומר. דֵמוֹקְרִיטוּס לעומת זאת, טען כי החומר מורכב מיחידות קטנות בדידות, בלתי ניתנות לחלוקה, וביניהן יש לא-כלום, אַיִן מוחלט (Void).

במבט לאחור, המדע המודרני הכריע לטובת דמוקריטוס: היקום מורכב מחלקיקים בדידים, אלמנטריים, שלמיטב ידיעתנו אין להם מבנה פנימי נוסף.¹ המודל הפיזיקלי שמנבא את תכונות החלקיקים, וגם אחראי על שיטת הארגון, הסידור, והקטלוג של כל החלקיקים הללו נקרא בפשטות:

המודל הסטנדרטי

אך לרוע המזל, ברוב המקרים המודל כולו נוטה להיראות – לצופה מן החוץ – כמו איזור מלחמה לאחר הפצצה: בלגן שלם של חלקיקים שונים ומשונים, עם שמות מוזרים, ללא קשר ברור אחד לשני.

זו בדיוק המטרה שלי בפוסט הנוכחי, לעשות לכם סדר בבלגן! כשתסיימו לקרוא את הפוסט, תהיה לכם תמונה מסודרת ומלאה של כל העסק. מכל מקום, מה שבאמת מרתק במודל הסטנדרטי, זו היכולת של המודל לחדור אל נבכי המציאות ברזולוציה כל כך גבוהה, ולפענח את הרכב החומר בסקלות גודל קטנות להחריד. מדהים שהצלחנו לעשות את זה…

אוקיי, נתחיל.

מה שם המשפחה של אלקטרון?

את כל החלקיקים בטבע ניתן לחלק לשתי משפחות:

משפחה ראשונה: פֵרְמִיּוֹנִים. כל החלקיקים במשפחה זו נקראים על שם הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי, והם למעשה החלקיקים שמרכיבים את כל החומר ביקום. מהמולקולה הכי קטנה, ועד הגלקסיה הגדולה ביותר, כל אלה עשויים – בסופו של דבר – מפרמיונים.

משפחה שניה: בּוֹזוֹנִים. כל החלקיקים במשפחה זו נקראים על שם הפיזיקאי ההודי סֶטְיֵנְדְרֶה נַאתְ בּוֹז, והם החלקיקים שאחראים על התקשורת  בין הפרמיונים, חלקיקי החומר.² במילים פשוטות: האינטראקציה בין שני פרמיונים מתבצעת באמצעות בוזונים.³

זו החלוקה הראשונה והכללית ביותר של כל החלקיקים בטבע. זכרו:

כל חלקיק הוא או פֵרְמִיּוֹן (חלקיק חומר) או בּוֹזוֹן (חלקיק תקשורת).

כעת נצלול לעומק אל הפרטים של כל משפחה.

משפחה ראשונה: פֵרְמִיּוֹנִים

את משפחת הפרמיונים ניתן לחלק לשלושה דורות, כל דור מורכב מארבעה חלקיקים.

דור ראשון:

חלקיקי הדור הראשון הם:

1. קווארק-מטה (מסומן באות: \(d\)).
2. קווארק-מעלה (מסומן באות: \(u\)).
3. אלקטרון (מסומן באות: \(e\)).
4. אלקטרון-נוטרינו. (מסומן באות: \({{\nu }_{e}}\)).

אוקיי, קודם כל לא להתבלבל: למשמעות הרגילה של המושגים "מטה" ו- "מעלה" שכולנו מכירים מחיי היום-יום, אין קשר לחלקיקים תת-אטומיים. בהיעדר אופציות טובות יותר, "מטה" ו- "מעלה" אלו סתם שמות – או: תגיות – שאנו נותנים כדי שנוכל להבדיל בין שני קווארקים שונים.

אז איפה ניתן למצוא את חלקיקי הדור הראשון? ובכן, בכל מקום… מסיבה פשוטה: האטומים של כל היסודות המוכרים למדע, מורכבים רק משלושת החלקיקים הראשונים, באופן הבא:

1. פרוטון מורכב משני קווארק-מעלה וקווארק-מטה אחד (\(uud\)).
2. נוטרון מורכב משני קווארק-מטה וקווארק-מעלה אחד (\(udd\)).
3. פרוטונים ונוטרונים מרכיבים יחד את גרעין האטום. לדוגמה: גרעין אטום חמצן מורכב מ-8 פרוטונים ו-8 נוטרונים.
4. תוסיפו אלקטרונים מסביב לגרעין הנ"ל, וקיבלתם את האטום כולו.

זהו… בשורה התחתונה: כל האטומים של כל היסודות מורכבים משלושה חלקיקים בלבד: קווארק-מטה (\(d\)), קווארק-מעלה (\(u\)), ואלקטרון (\(e\)).

החלקיק הרביעי הוא האלקטרון-נוטרינו (\({{\nu }_{e}}\)); מדובר ביצור חמקמק ביותר, בעל מסה כמעט אפסית אך לא ממש (למיטב ידיעתי, המדע עדיין לא יודע מה המסה שלו בדיוק). האלקטרון-נוטרינו הוא פרמיון כשר למהדרין – כלומר: חלקיק חומר – אך האינטראקציה בינו לבין שאר חלקיקי הדור הראשון קטנה בצורה בלתי רגילה, ומשום כך הוא אינו נקשר אליהם, ולכן אינו חלק מהאטום.

אז מה חלקיקים מסוג אלקטרון-נוטרינו עושים בזמן החופשי שלהם? ובכן, הם סתם מרחפים להם ביקום, מקצה לקצה, כמעט ללא הפרעה, במהירות הקרובה למהירות האור. בשכונה שלנו, השמש היא בית החרושת העיקרי לייצור חלקיקי אלקטרון-נוטרינו, ומאז שהתחלתם לקרוא את הפוסט, כבר עברו דרך גופכם מיליארדים על מיליארדים של חלקיקי אלקטרון-נוטרינו.

דור שני

חלקיקי הדור השני הם:

1. קווארק-מוזר (מסומן באות: \(s\)).
2. קווארק-קסום (מסומן באות: \(c\)).
3. מואון (מסומן באות: \(\mu\)).
4. מואון-נוטרינו (מסומן באות: \({{\nu }_{\mu}}\)).

גם כאן, מוזר\קסום אלו רק שמות; אין שום דבר מוזר בקווארק-מוזר, וקווארק-קסום אינו באמת קסום.

מכל מקום, הדמיון בין הדור השני לראשון בולט לעין. אך הדמיון אינו רק וויזואלי, אלא נוגע גם לתכונות של החלקיקים עצמם: המואון מהדור השני הוא חלקיק עם תכונות זהות לאלקטרון מהדור הראשון, רק המסה שלו גדולה יותר (פי 200 בערך מהאלקטרון). עיקרון זה תקף גם לשני הקווארקים: קווארק-מוזר זהה בתכונותיו לקווארק-מטה אך כבד ממנו (בערך פי 20), וקווארק-קסום זהה לקווארק-מעלה, אך כבד ממנו (פי 600 בערך).⁴ במילים פשוטות:

הדור השני הוא שכפול כבד יותר של הדור הראשון.

אם כן, היכן נוכל למצוא את חלקיקי הדור השני, אם אמרנו קודם לכן כי כל החומר ביקום מורכב רק מחלקיקי הדור הראשון?

ובכן, באמת קשה יותר למצוא את חלקיקי הדור השני כי הם אינם יציבים; הם נוטים להתפרק – או יותר נכון לומר: לדעוך – ולהפוך לחלקיקי הדור הראשון לאחר זמן יחסית קצר. מואונים למשל, נוצרים בשכבות העליונות של האטמוספירה, אך כאמור הם מתפרקים יחסית מהר. מכל מקום, את חלקיקי הדור השני אנו מסוגלים לייצר באופן מלאכותי במאיצי חלקיקים.⁵

הדור השלישי

אם אתם עוקבים עד עכשיו, יהיה לכם קל מאוד להבין את חלקיקי הדור השלישי, בהתאם לתבנית שכבר הצגתי: הדור השלישי הוא שכפול כבד יותר של הדור השני, כלומר: חלקיקים זהים בכל התכונות, חוץ מהמסה. אלו ארבעת חלקיקי הדור השלישי:

1. קווארק-תחתון (מסומן באות: \(b\)).
2. קווארק-עליון (מסומן באות: \(t\)).
3. טאו (מסומן באות: \(\tau\)).
4. טאו-נוטרינו (מסומן באות: \({{\nu }_{\tau}}\)).

גם כאן, צמד הקווארקים תחתון/עליון כבדים יותר מהצמד מוזר/קסום, הטאו כבד מהמואון, וכן הלאה. כמו הדור השני, גם חלקיקי הדור השלישי אינם יציבים, ודועכים לאחר זמן קצר.

סיכום משפחת הפרמיונים

נוכל לסכם בקצרה את כל משפחת הפרמיונים, הכוללת 12 חלקיקים:

• קבוצת הקווארקים מורכבת משישה חלקיקים: \([d,u,s,c,b,t]\)
• קבוצת "דמויי-אלקטרון" מורכבת משלושה חלקיקים: \([e,\mu ,\tau]\)
• קבוצת נוטרינו מורכבת משלושה חלקיקים: \([{{\nu }_{e}},{{\nu }_{\mu }},{{\nu }_{\tau }}]\)

הקווארקים נמצאים אך ורק בתוך גרעין האטום, וכל שאר הפרמיונים שאינם בגרעין האטום, נקראים בשם כולל: לפטונים.

משפחה שנייה: בּוֹזוֹנִים

כאמור לעיל, החלקיקים במשפחת הבוזונים אחראים על התקשורת בין הפרמיונים. אם המונח "תקשורת" נשמע לכם קצת מעורפל, אז יש לזכור כי "תקשורת" זו כנראה מוכרת לכם בשמה הפופולרי יותר: כוחות. מכאן נובע כי הבוזונים אינם חלקיקי חומר, אלא חלקיקי כוח, ובמילים פשוטות:

הכוחות הפועלים בין חלקיקי החומר (פרמיונים) פועלים באמצעות חלקיקי הכוח (בוזונים)

עכשיו נוכל לפרט את רשימת הכוחות הידועים למדע והבוזונים השייכים להם.

הכוח האלקטרומגנטי

כידוע, בין שני חלקיקים טעונים חשמלית פועל כוח אלקטרו-מגנטי, והחלקיק המשמש כמתווך של הכוח הזה הוא כנראה הבוזון המפורסם ביותר: פוטון (מסומן באות: \(\gamma\)). לדוגמה: הפרוטונים בגרעין האטום והאלקטרונים שסביבם מחליפים ביניהם פוטונים, וכך הם "מתקשרים" אחד עם השני. חשוב לזכור כי קיומם של פוטונים אינו מוגבל כמובן לאטום בלבד; כל המרחב שסביבנו שורץ פוטונים, כי הפוטונים הם החלקיקים המרכיבים את כל הקרינה האלקטרומגנטית שסביבנו, החל מקרינת השמש, דרך קרינת הרדיו והטלוויזיה, ועד לקרינת הרנטגן.

מכל משפחת הפרמיונים שהצגתי לעיל, הפוטון מתקשר רק עם החלקיקים בעלי מטען חשמלי: כל הקווארקים, האלקטרון, ושני התאומים שלו: המואון והטאו. לעומת זאת, הפוטון אינו מתקשר עם שלושת חלקיקי הנוטרינו, כי אין להם מטען חשמלי.

הכוח החזק

כוח זה – בהתאם לשמו – הוא הכוח החזק ביותר בטבע, והוא אחראי לקשור את הקווארקים זה לזה. כפי שראינו קודם לכן, הפרוטון והנוטרון שבגרעין האטום מורכבים כל אחד משלושה קווארקים, והכוח החזק הוא זה שמדביק את הקווארקים יחד. בהתאם לזאת, שני קווארקים (או יותר) נקשרים יחד באמצעות תחלופה של בוזון הנקרא: גלואון (מסומן באות: \(g\)). בניגוד לפוטון, שפועל בין כל הפרמיונים בעלי מטען חשמלי, הגלואון פועל אך ורק בין קווארקים.

הכוח החלש

הכוח החלש שונה מהותית משני הקודמים לו, כי בניגוד להם, הכוח החלש אינו גורם למשיכה או לדחייה בין שני פרמיונים. אם כן, מה התפקיד של הכוח החלש?

זוכרים כי אמרתי לעיל כיצד הפרמיונים מהדור השני – הכבדים והלא יציבים – דועכים לאחר זמן קצר והופכים לפרמיונים יציבים מהדור הראשון? ובכן, הכוח החלש הוא האחראי לתהליך הזה, ובמילים פשוטות:

הכוח החלש אחראי על הטרנספורמציה של פרמיונים מסוג אחד לסוג שני.

כמו שאר הכוחות, גם הכוח החלש פועל באמצעות בוזונים הנקראים:

1. בוזון \(W\)⁶
2. בוזון \(Z\)

שני הבוזונים הללו מעורבים במגוון תהליכים שבהם פרמיון מסוג אחד עובר טרנספורמציה והופך לפרמיון מסוג אחר. להלן שתי דוגמאות נפוצות:

1. המואון (פרמיון לא-יציב מהדור השני) הופך לאלקטרון (פרמיון יציב מהדור הראשון) באמצעות פליטה של בוזון W.
⁷
2. נוטרון – המורכב משלושה קווארקים: מעלה/מטה/מטה (\(udd\)) – יכול להפוך לפרוטון, המורכב אף הוא משלושה קווארקים: מעלה/מעלה/מטה (\(uud\)). תהליך זה מתאפשר כי קווארק-מטה בתוך הנוטרון פולט בוזון W, והופ! הופך לקווארק-מעלה. בדרך זו הנוטרון הופך לפרוטון!

יש מגוון תהליכים שבהם מעורב הכוח החלש, וניתן לפרט גם על תהליכים הכוללים את בוזון Z, אבל אין זה הכרחי. חשוב לזכור רק את הדברים הבאים:

1. הכוח החלש פועל באמצעות בוזוני W ו-Z,
2. הכוח החלש פועל על כל הפרמיונים,
3. הכוח החלש אחראי על הטרנספורמציה של פרמיונים מסוג אחד לסוג שני.

בוזון היגס

החלקיק האחרון ברשימה הוא: בוזון היגס, הנקרא על שם הפיזיקאי הבריטי פיטר היגס, שחזה את קיומו של החלקיק עוד בשנות ה-60 של המאה העשרים. במשך זמן רב לא ניתן היה לצפות בחלקיק בניסוי, כי מאיצי החלקיקים עדיין לא הגיעו לאנרגיות הנדרשות לתצפית שכזו. אך בשנת 2012, אושר קיומו של בוזון היגס על ידי תצפית ישירה במאיץ החלקיקים CERN, ועל כך קיבל היגס את פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2013.

בוזון היגס נקרא גם: החלקיק האלוהי, וזאת מפאת חשיבותו בתוך המודל הסטנדרטי. יש לא מעט מה לומר על בוזון היגס, ובמיוחד על המנגנון שבאמצעותו הוא פועל, ועל כך ראוי לכתוב פוסט נפרד. אבל לצורך מטרת הפוסט הנוכחי, זה מה שחשוב לדעת:

בוזון היגס הוא החלקיק שמספק לשאר החלקיקים את המסה שלהם.⁸

זה אולי נשמע קצת מוזר, אבל לפי המודל הסטנדרטי, לכל החלקיקים בטבע אין למעשה מסה "משל עצמם", כביכול. ללא בוזון היגס, כל החלקיקים בטבע היו חסרי מסה, והחומר המוכר לנו לא היה מתקיים כלל. בוזון היגס, הוא זה שאחראי לנפק מסה לכל חלקיק וחלקיק, ולכן ניתן לומר כי בזכותו אנו קיימים, ומכאן שמו: החלקיק האלוהי.

סיכום

המודל הסטנדרטי הוא אחד מהמודלים המוצלחים ביותר שיש לנו בפיזיקה. המודל מנבא בהצלחה את התכונות של כל החלקיקים, ותכונות אלו מאומתות בניסויים ברמה גבוהה של דיוק. אמנם יש שאלות שעדיין אין עליהן תשובה במסגרת המודל הסטנדרטי. לדוגמה:

• למה יש דווקא שלושה דורות של חלקיקים? למה לא ארבעה דורות, או חמישה?⁹
• למה מסת המואון גדולה דווקא פי 206.77 ממסת האלקטרון, ולא פי 300, או כל מספר אחר? שאלה זו נכונה כמובן גם ליחס המסות בין שאר החלקיקים.
• מה עם כוח הגרביטציה? כיצד ניתן להרחיב את המודל הסטנדרטי כך שיכלול גם את כוח הגרביטציה? האם קיים בוזון מיוחד שמתווך את כוח הגרביטציה?¹⁰

כל השאלות הללו עדיין פתוחות, מה שאומר שיש עוד עבודה…

1. יש להדגיש כי לפי תורת השדות הקוונטית, חלקיק אלמנטרי – מכל סוג – הוא למעשה אקסיטציה – או: עירור – בתוך שדה פיזיקלי המיוחד לאותו חלקיק. אמנם לצורך הדיון בפוסט, אפשר לדמיין חלקיק אלמנטרי בתור כדור קטנטן ללא מבנה פנימי נוסף. [↩]
2. יש גם בוזונים שמורכבים מפרמיונים, כלומר: חלקיק בוזוני בעל מבנה פרמיוני פנימי. במילים אחרות: מספר פרמיונים יחד יכולים ליצור חלקיק שמתנהג כמו בוזון, לדוגמה: גרעין דטריום או חלקיק אלפא. במסגרת הפוסט נעסוק רק בחלקיקים אלמנטריים שהם בוזונים, כלומר: חלקיקים ללא מבנה פנימי. [↩]
3. יש להדגיש כי החלוקה בין פרמיונים לבוזונים אינה מוגדרת אך ורק בהתאם לתפקיד. החלוקה בראש ובראשונה נובעת מתוך תכונות פיזיקליות: פרמיונים מצייתים לעיקרון האיסור של פאולי, ויש להם ספין חצי שלם. בוזונים לעומת זאת, לא מצייתים לאיסור פאולי ויש להם ספין שלם. [↩]
4. לפי אנלוגיה זו, ניתן לומר כי גם המואון-נוטרינו כבד יותר מהאלקטרון-נוטרינו, אך למיטב ידיעתי אין וודאות בנושא זה, כי מסת חלקיקי הנוטרינו עדיין לא נמדדה במדויק. [↩]
5. יש סיבה מדוע המונח "להתפרק" אינו מתאים כל כך, ועדיף להשתמש במונח "דעיכה". הסיבה פשוטה: גם חלקיק לא יציב מהדור השני, למשל המואון, אינו מורכב מחלקיקים קטנים יותר, כלומר: אין לו מבנה פנימי. לכן המואון לא באמת "מתפרק" והתוצרים שלו אינם נמצאים בתוכו לפני תהליך הפירוק. יותר נכון לומר כי המואון עובר טרנספורמציה, או: דעיכה, אל עבר חלקיקים קלים יותר. [↩]
6. בוזון W למעשה מופיע כצמד חלקיקים: אחד בעל מטען חשמלי חיובי והשני מטען שלילי. ליתר דיוק: כל אחד מהבוזונים האלה הוא האנטי-חלקיק של השני. לא נכנסתי במסגרת הפוסט למושג אנטי-חלקיק, אך למעשה לכל חלקיק יש גם אנטי-חלקיק שדומה לו בכל התכונות, חוץ מהבדל אחד: סימן המטען מתהפך. לדוגמה: גם לאלקטרון יש אנטי-חלקיק הנקרא פוזיטרון. הפוזיטרון זהה לאלקטרון בכל תכונה, חוץ מכך שיש לו מטען חשמלי חיובי. [↩]
7. התהליך המלא מורכב יותר. המואון פולט בוזון W והופך למואון-נוטרינו. לאחר מכן, הבוזון W הופך בעצמו לאלקטרון ולאנטי-אלקטרון-נוטרינו. [↩]
8. התיאור הנ"ל הוא כמובן פשטני, אבל הוא מספיק לצורך הפוסט. בפועל, שאר החלקיקים מקבלים מסה בגלל האינטראקציה שלהם עם שדה היגס, שדה פיזיקלי שהתוצר שלו הוא בוזון היגס. חלקיק כבד הוא חלקיק בעל אינטראקציה חזקה עם שדה היגס, וחלקיק קל הוא חלקיק בעל אינטראקציה חלשה. בנוסף, מסתבר כי לפי המודל הסטנדרטי, לכל החלקיקים – פרמיונים ובוזונים – יש אינטראקציה עם שדה היגס חוץ מהפוטון וחלקיקי הנוטרינו. מעניין לציין כי אמנם מסת הפוטון היא אכן אפס, אך לאחרונה נתגלה כי לחלקיקי הנוטרינו יש מסה מאוד קטנה אך עדיין אינה אפס, אף על פי שלפי המודל הסטנדרטי מסת חלקיקי הנוטרינו צריכה להיות אפס. [↩]
9. בהקשר זה יש לומר כי המודל הסטנדרטי לא מסוגל להסביר את מספר הדורות, אך הוא כן מסוגל להסביר למה יש ארבעה חלקיקים בכל דור. [↩]
10. לבוזון המסתורי הזה קוראים: גרביטון, אך כל הניסיונות שנעשו עד היום למצוא אותו נכשלו. [↩]