פיזיקת חלקיקים והמודל הסטנדרטי.

ממה עשוי פרוטון

בכל אטום יש גרעין שעשוי מפרוטונים ומנייטרונים. במשך זמן רב הם נראו כחלקי החומר הקטנים ביותר. הם לא. פרוטון הוא שק זעיר, כ־1.7 פמטומטר לרוחבו, ובתוכו שלושה קווארקים: שני קווארקים מסוג למעלה וקווארק אחד מסוג למטה.

לקווארקים יש שברים של המטען החשמלי שנושא אלקטרון. לקווארק למעלה יש $+\tfrac{2}{3}$⁠, ולקווארק למטה $-\tfrac{1}{3}$⁠. חברו את שלושת הקווארקים של הפרוטון ותקבלו $+\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$$+\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} =$$+1$⁠, בדיוק המטען של הפרוטון. הקריאות שליד הסצנה עושות את החישוב הזה לכל חלקיק שתבחרו.

נסו: תחת חלקיק, בחרו נייטרון. קווארק למעלה אחד הפך לקווארק למטה, והסכום בקריאות יוצא עכשיו 0. ההחלפה האחת הזאת היא כל ההבדל בין פרוטון לנייטרון.

חזרה לניסוי ↑

חלקיקים שעשויים מקווארקים נקראים האדרונים. אלה שיש בהם שלושה קווארקים, כמו הפרוטון, הנייטרון, הלמדא והאומגה, הם באריונים. אלה שיש בהם קווארק אחד ואנטי־קווארק אחד (בן הזוג שלו מן האנטי־חומר, שמצויר עם קו מעל האות שלו) הם מזונים, כמו הפאיון וה־J/psi.

מאיפה מגיעה המסה

הסתכלו על הפס שמתחת לקריאות. פרוטון שוקל 938 MeV (ביחידות שבהן פיזיקאי חלקיקים מודדים מסה, מגה־אלקטרון וולט חלקי מהירות האור בריבוע). שלושת הקווארקים שלו, כששוקלים אותם לבדם, מגיעים לכ־9 MeV. הרצועה המוזהבת הדקה בתחילת הפס היא ה־9 MeV האלה: בערך אחוז אחד.

99 האחוזים האחרים הם אנרגיה. הקווארקים דוהרים בתוך השק במהירות קרובה למהירות האור, ושדה הגלואונים שמחזיק אותם יחד אוגר כמות גדולה של אנרגיה. הנוסחה של איינשטיין, $E = mc^2$⁠, אומרת שלאנרגיה יש מסה, ומהאנרגיה הזאת מגיעה כמעט כל המסה של הפרוטון. כמעט כל דבר שאפשר לשקול, מנוצה ועד הר, מקבל את המסה שלו בדרך הזאת.

נסו: בחרו J/psi. הוא עשוי מקווארק קסום ומאנטי־קווארק קסום, וכל אחד מהם כבד פי 270 בערך מקווארק למטה. עכשיו החלק המוזהב של הפס ממלא 82 אחוזים: כשהקווארקים כבדים, המסה שלהם עצמם היא רוב המסה כולה.

חזרה לניסוי ↑

צבע והדבק

הכוח שמחזיק את הקווארקים יחד הוא הכוח החזק, והמטען שעליו הוא פועל נקרא צבע. אין לו שום קשר לצבע אמיתי; השם בא מכלל נאה. כל קווארק נושא אחד משלושה מטעני צבע, שנקראים אדום, ירוק וכחול, ובהאדרון יש תמיד צירוף שמבטל את עצמו: אחד מכל צבע בבאריון, או צבע והאנטי־צבע שלו במזון.

את הכוח החזק נושאים הגלואונים, והגלואונים עצמם נושאים צבע. הסתכלו על החרוזים: בערך פעם בשנייה, נקודה בהירה רצה לאורך קפיץ מקווארק אחד לאחר, והשניים מחליפים צבעים. הצבעים משתנים כל הזמן, אבל תמיד יש אחד מכל צבע.

הניצוצות החיוורים שמהבהבים בתוך השק הם קווארקי ים: זוגות של קווארק ואנטי־קווארק ששדה הגלואונים יוצר מהאנרגיה של עצמו, ושנעלמים שוב כעבור רגע. פרוטון אמיתי גדוש בהם.

אי אפשר לשלוף קווארק

כוחות חשמליים וכוחות כבידה נחלשים ככל ששני גופים רחוקים יותר זה מזה. הכוח החזק בין קווארקים לא נחלש. מעבר לכמה עשיריות של פמטומטר, שדה הגלואונים ביניהם מתכנס לצינור צר, וכל תוספת קטנה של אורך מוסיפה אותה כמות של אנרגיה, כמו גומייה שאף פעם לא מתרפה.

נסו: הזיזו את שליפת קווארק אל 1 fm. קווארק למעלה אחד נגרר למרחק של פמטומטר, והצינור שלו נמתח בלי להיעשות דק יותר. התווית מראה 0.9 GeV: המיתר אוגר כ־0.9 GeV לכל פמטומטר. זה כוח של כ־140,000 ניוטון, המשקל של כ־15 טונות, שפועל על קווארק יחיד.

חזרה לניסוי ↑

המשיכו למשוך. בערך ב־1.2 פמטומטר הצינור אוגר מספיק אנרגיה כדי ליצור חומר חדש, והוא נקרע. האנרגיה הופכת לקווארק ולאנטי־קווארק חדשים במקום הקריעה. המשיכו להזיז אותו אל 1.5 fm: הקווארק שמשכתם יוצא יחד עם האנטי־קווארק החדש, מסוג אנטי־למעלה, כמזון חדש, פאיון נייטרלי ($\pi^0$⁠), והקווארק החדש מסוג למעלה תופס את מקומו בפרוטון. משכתם, ובמקום קווארק חופשי קיבלתם חלקיק חדש.

זוהי כליאה. איש מעולם לא ראה קווארק לבדו. כשמאיץ חלקיקים מעיף קווארק מתוך פרוטון, הוא יוצא כמטר של האדרונים חדשים, שנקרא סילון.

המודל הסטנדרטי על תרשים אחד

העבירו את התרחקות אל המודל הסטנדרטי אל חלקיקי חומר. הפרוטון מתכווץ לפינה, ותרשים עולה במקומו. כל כדור הוא אחד מחלקיקי היסוד של החומר. שלושה דברים קובעים את מקומו:

• הגובה הוא מסה, בסולם לוגריתמי: כל קו על הקיר האחורי כבד פי עשרה מהקו שמתחתיו.
• העומק הוא מטען חשמלי, מ־$+1$⁠ מאחור ועד $-1$⁠ מלפנים.
• העמודות הן דורות, I, II ו־III.

הקווארקים של הפרוטון מוקפים בטבעת: שני קווארקים מסוג למעלה ואחד מסוג למטה. קווים דקים מובילים אליהם מהפרוטון שבפינה. הקווארקים סגולים. הכדורים הירוקים הם לפטונים: האלקטרון, בני הדודים הכבדים שלו המיואון והטאו, ושלושה נייטרינו, חלקיקי רפאים חסרי מטען שעוברים דרך כדור הארץ כמעט בלי שום הפרעה.

שלושה דורות

הסתכלו לאורך שורה כלשהי בתרשים: הקווארקים למעלה, קסום ועליון, או האלקטרון, המיואון והטאו. לכל שורה יש מטען אחד, ושלושת החלקיקים שבה מתנהגים אותו דבר בכל כוח. ובכל זאת, כל דור כבד בהרבה מהדור שלפניו. הקווארק העליון כבד פי 80,000 בערך מקווארק למעלה, כמעט כמו אטום זהב שלם.

כל מה שסביבכם עשוי מהדור הראשון בלבד: קווארקים מסוג למעלה ולמטה בפרוטונים ובנייטרונים, ואלקטרונים סביבם. החלקיקים הכבדים יותר נוצרים במקלחות של קרניים קוסמיות ובמאיצי חלקיקים, ודועכים לחלקיקים קלים יותר בתוך חלק זעיר של שנייה. איש עדיין לא יודע למה יש בדיוק שלושה דורות, או למה המסות שלהם הן מה שהן.

הנייטרינו יושבים ממש בתחתית. המסות שלהם מעולם לא נמדדו, ונמצאו להן רק גבולות: ניסוי בקרלסרוהה בשם KATRIN הראה ב־2025 שהנייטרינו האלקטרוני קל מ־0.45 eV, פחות ממיליונית ממסת האלקטרון, ותנודות נייטרינו מראות שלפחות אחד מהם שוקל כ־0.05 eV או יותר. הם מצוירים חיוורים, בגבול העליון.

נושאי הכוח וההיגס

העבירו את התרחקות אל המודל הסטנדרטי אל המודל הסטנדרטי. ארבעה כדורים נוספים עולים מימין.

• הגלואון (g) נושא את הכוח החזק, והפוטון ($\gamma$⁠) נושא את הכוח האלקטרומגנטי: אור, חשמל ומגנטיות. לשניהם אין מסה, ולכן הם מונחים על הרצפה, מתחת לסולם.
• ה־W וה־Z נושאים את הכוח החלש, שמאפשר לסוג אחד של קווארק להפוך לסוג אחר בדעיכה רדיואקטיבית. הם כבדים פי 85 עד 100 בערך מפרוטון, ולכן הכוח החלש מגיע רק למרחק זעיר. ה־W מגיע עם מטען של $+1$⁠ או $-1$⁠; התרשים מראה את $W^+$⁠.
• בוזון היגס (H), שהתגלה ב־CERN ב־2012 במסה של 125 GeV, הוא אדווה בשדה היגס. התנועה דרך השדה הזה היא מה שנותן ל־W, ל־Z, לקווארקים ולאלקטרון את המסות שלהם עצמם: את האחוז האחד של הפרוטון, אבל לא את 99 האחרים.

עם כל סוגי החלקיקים, יש בתרשים 17 כדורים. זהו המודל הסטנדרטי. לכל חלקיק חומר יש גם אנטי־חלקיק עם מטען הפוך, ויש שמונה גלואונים שנבדלים זה מזה רק בצבעים שלהם; התרשים מראה כל סוג פעם אחת.

איך אנחנו יודעים

• רעיון הקווארקים. ב־1964 הציעו מארי גל־מאן, ובנפרד ממנו ג’ורג’ צוויג, את הקווארקים כדי להסביר את הדפוסים בעשרות ההאדרונים שהתגלו בשנות ה־50. דרך השמונה, מיון קודם של ההאדרונים שמצאו גל־מאן, ובאופן בלתי תלוי גם יובל נאמן, חזתה באריון עם מטען של $-1$⁠ שיתברר כשלושה קווארקים מוזרים; האומגה מינוס ($\Omega^-$⁠) התגלה בברוקהייבן ב־1964, במסה כמעט זהה לזו שנחזתה.
• לראות פנימה. החל מ־1968, אלקטרונים שנורו אל פרוטונים במאיץ SLAC בקליפורניה הוסטו לפעמים בחדות הצידה, כאילו פגעו בנקודות קטנות וקשות בתוך הפרוטון. הנקודות האלה היו קווארקים.
• הקווארק הקסום. בנובמבר 1974 גילו צוותים בראשות ברטון ריכטר וסמואל טינג בו־זמנית את ה־J/psi, מזון שהיה הגיוני רק כקווארק קסום והאנטי־קווארק שלו. הקווארק התחתון בא אחריו ב־1977, והעליון ב־1995, בפרמילאב.
• הבוזונים. ה־W וה־Z התגלו ב־CERN ב־1983, ובוזון היגס במאיץ LHC של CERN ב־2012.

מה המודל הזה משאיר בחוץ

• כבידה. המודל הסטנדרטי מתאר שלושה מתוך ארבעת הכוחות. הכבידה אינה חלק ממנו, ואיש לא מצא תאוריה של כבידה שמתיישבת איתו. הוא גם לא כולל את החומר האפל, שאסטרונומים רואים מושך גלקסיות.
• גודל ותנועה. הקווארקים מצוירים כחרוזים, אבל אין להם גודל שניסוי כלשהו יכול למדוד. המסלולים שלהם בתוך השק הם סקיצה; במציאות הם נעים במהירות קרובה למהירות האור, ואין להם בכלל מסלולים מוגדרים. הגדלים של הפרוטון והפאיון נמדדו; האחרים מצוירים בגדלים משוערים.
• הים. פרוטון אמיתי מכיל נחיל משתנה ללא הרף של גלואונים ושל זוגות קווארק ואנטי־קווארק, הרבה יותר מהניצוצות המעטים שמוצגים. אילו זוגות מופיעים, וכמה פעמים, זה עניין של מקרה.
• המיתר. הצינור בעובי הקבוע וה־0.9 GeV שלו לכל פמטומטר באים מחישובים של הכוח החזק במחשבי־על ומהמסות של מזונים כבדים. הקריעה ב־1.2 פמטומטר היא בקירוב, ומיתר אמיתי יכול להיקרע לזוג מסוג למעלה, למטה או מוזר; הסצנה תמיד יוצרת קווארק למעלה ואנטי־קווארק למעלה.
• מסות הקווארקים. אי אפשר אף פעם לשקול קווארק לבדו, ולכן המסות של הקווארקים הקלים תלויות באופן שבו מגדירים אותן. הערכים המוצגים הם הערכים המקובלים, שמוגדרים באנרגיה קבועה מסוימת, והם ידועים בדיוק של כמה אחוזים.
• צבע. האדום, הירוק והכחול הם תוויות לסוג של מטען, לא צבעים אמיתיים. הגלואון שעובר בין שני קווארקים מוצג כנקודה בהירה אחת; גלואון אמיתי נושא צבע ואנטי־צבע.