הכוח הגרעיני החזק הוא, כפי שאפשר לנחש, אכן כוח חזק מאוד. זה כל כך חזק שהוא מסוגל לחבר כמה חלקיקים זעירים ביקום במשך תקופות ארוכות מאוד, אולי לנצח. חלקיקים הקשורים בכוח החזק מהווים את אבני הבניין של עולמנו היומיומי: פרוטונים ונויטרונים. אבל אם הייתם חותכים פרוטון או נויטרון, לא הייתם מוצאים סידור נחמד ופשוט של חלקיקים תת אטומיים. במקום זאת הייתם רואים את הפנימים המגעילים של אולי אחד הכוחות המורכבים ביקום.
פרוטונים ונויטרונים הם לא הדברים היחידים שהכוח החזק מסוגל לעשות, אבל אנחנו לא באמת מבינים את הסידורים המורכבים והאקזוטיים האחרים. יתרה מזו, אפילו התצפיות והניסויים שלנו הם עצמם מאוד רישומים. אבל פיזיקאים עובדים קשה במאמץ לחבר תובנות לגבי כוח הטבע הבסיסי הזה.
חזק ומורכב
כדי לתאר את הכוח החזק, עדיף להנגיד אותו עם בן דודו המפורסם בהרבה, הכוח האלקטרומגנטי. עם הכוח האלקטרומגנטי הדברים פשוטים, קלים וישר; עד כדי כך שמדענים בשנות ה- 1900 הצליחו בעיקר להבין זאת. בעזרת הכוח האלקטרומגנטי כל חלקיק יכול להצטרף למסיבה כל עוד יש לו תכונה הנקראת מטען חשמלי. אם יש לך מטען זה, אתה צריך להרגיש ולהגיב לכוח האלקטרומגנטי. וכל מיני חלקיקים מכל הפסים והטעמים נושאים מטען חשמלי, כמו האלקטרונים המגוונים בגינה שלכם.
חלקיק אחר, החלקיק האור (המכונה גם הפוטון), מבצע את עבודת העברת הכוח האלקטרומגנטי מחלקיק טעון לחלק אחר. לפוטון עצמו אין מטען חשמלי משלו, והוא חסר מסה. הוא נע במהירות האור, מרפרף קדימה ואחורה ברחבי היקום, גורם לאלקטרומגנטיות לקרות.
מטען חשמלי. נשא יחיד של הכוח האלקטרומגנטי. פשוט, פשוט.
לעומת זאת ישנם שישה חלקיקים הכפופים לכוח הגרעיני החזק. כקבוצה הם ידועים כקווארקים ויש להם שמות מספיק מוזרים כמו למעלה, למטה, למעלה, למטה, מוזר וקסם. כדי לחוש ולהגיב לכוח הגרעיני החזק, על הקווארקים האלה יש מטען משל עצמם. זה לא מטען חשמלי (למרות שיש להם גם מטען חשמלי וגם מרגישים את הכוח האלקטרומגנטי), אבל מסיבות שונות שמאוד מבלבלות את הדברים, פיזיקאים מכנים מטען מיוחד זה הקשור לכוח הגרעין החזק מטען הצבעים.
הקווארקים יכולים לכלול אחד משלושה צבעים, הנקראים אדום, ירוק וכחול. רק כדי להבהיר, הם אינם צבעים בפועל, אלא רק תוויות שאנו נותנים לנכס מוזר זה, דמוי טעינה.
אז הקווארקים מרגישים את הכוח החזק, אך הוא נושא על ידי שורה שלמה של חלקיקים אחרים - שמונה, ליתר דיוק. הם נקראים גלואונים, והם עושים עבודה נהדרת באמת של ... חכו לזה ... מדביקים קווארקים יחד. לגלואונים יש גם יכולת ורצון לשאת מטען צבע משלהם. ויש להם מסה.
שישה קווארקים, שמונה גלונים. הקווארקים יכולים לשנות את מטען הצבע שלהם, וגם הגלואונים יכולים, כי למה לא.
כל זה אומר שהכוח הגרעיני החזק מורכב ומסובך בהרבה מאשר בן דודו האלקטרומגנטי.
חזק בצורה מוזרה
אוקיי, שיקרתי. פיזיקאים לא סתם קראו לתכונה זו של קווארקים וגלונים "מטען הצבע" מכיוון שהתחשק להם, אלא משום שהוא משמש כאנלוגיה מועילה. גלואונים וקווארקים יכולים להיקשר זה לזה ליצירת חלקיקים גדולים יותר כל עוד כל הצבעים מסתכמים בלבן, ממש כמו שאור אדום, כחול וירוק מסתדרים לאור לבן ... השילוב הנפוץ ביותר הוא שלושה קווארקים, אחד מהם אדום, ירוק, וכחול. אבל האנלוגיה הופכת להיות קצת מסובכת כאן, מכיוון שלכל קווארק בודד יכול להיות כל אחד מהצבעים שהוקצו לו בכל רגע בזמן; מה שחשוב זה מספר הקווארקים כדי לקבל שילובים נכונים. כך שתוכלו לקבץ קבוצות של שלושה קווארקים כדי ליצור את הפרוטונים והמניטרונים המוכרים. אתה יכול גם לקשור קוורק עם האנטי-קווארק שלו, שם הצבע מבטל עם עצמו (כמו זוגות ירוקים עם אנטי-ירוק, ולא, אני לא רק ממציא את זה כשאני הולך), כדי ליצור סוג של חלקיק המכונה מזון.
אבל זה לא נגמר שם.
באופן תיאורטי, כל שילוב של קווארקים וגלואונים המסתכמים בלבן מותר מבחינה טכנית.
לדוגמה, שני מזונים - שלכל אחד מהם שני קווארקים בתוכם - יכולים להיקשר ביחד למשהו המכונה טרקטארק. ובמקרים מסוימים, אתה יכול להוסיף קווארק חמישי לתערובת, ועדיין לאזן את כל הצבעים, שנקרא (ניחשתם נכון) פנטקארק.
המדרכה לא צריכה אפילו להיות קשורה טכנית בחלקיק בודד. הם יכולים פשוט להתקיים בסמיכות זה לזה, ליצור מה שמכונה מולקולה הידרונית.
וכמה זה מטורף: ייתכן שהגלואונים עצמם אפילו לא צריכים קווארק כדי ליצור חלקיק. פשוט יכול להיות כדור גלונים המסתובב, יחסית יציב ביקום. קוראים להם כדוריות גלוב. הטווח של כל המדינות הכבולות האפשריות המותרות על ידי הכוח הגרעיני החזק נקרא ספקטרום הקוורקוניום, וזה לא שם שמורכב כותב תכניות טלוויזיה מדע בדיוני. יש כל מיני שילובים פוטנציאליים מטורפים של קווארקים וגלואונים שפשוט עשויים להתקיים.
אז האם הם כן?
קשת קווארק
אולי.
פיזיקאים מבצעים ניסויים בכוח גרעיני חזק כבר לא מעט עשורים, כמו ניסוי באבר וכמה ב"קנדר הדרדר הגדול ", לאט לאט לאורך השנים מתבססים לרמות אנרגיה גבוהות יותר כדי לחקור עמוק יותר ועמוק יותר בספקטרום הקוורקוניום (וכן, כן יש לך הרשאה להשתמש בביטוי הזה בכל משפט או שיחה סתמית שאתה רוצה, זה מדהים). בניסויים אלה מצאו פיזיקאים אוספים אקזוטיים רבים של קווארקים וגלונים. הניסויים נותנים להם שמות פאנקיים, כמו χc2 (3930).
חלקיקים פוטנציאליים אקזוטיים אלה מתקיימים אך ורק באופן מתרחש, אך קיימים במקרים רבים באופן סופי. אבל הפיזיקאים מתקשים לחבר את החלקיקים המופקים בקצרה לבין אלה התיאורטיים שאנו חושדים שצריכים להתקיים, כמו המדרגות וגלגלי הגלוב.
הבעיה ביצירת החיבור היא שהמתמטיקה ממש קשה. בשונה מהכוח האלקטרומגנטי, קשה מאוד לחזות תחזקות הכרוכות בכוח גרעיני חזק. זה לא רק בגלל האינטראקציות המורכבות בין הקווארקים והגלואונים. באנרגיות גבוהות מאוד כוחו של הכוח הגרעיני החזק למעשה מתחיל להיחלש, ומאפשר למתמטיקה לפשט. אבל באנרגיות נמוכות יותר, כמו האנרגיה הדרושה לאגירת קווארקים וגלונים ליצירת חלקיקים יציבים, הכוח הגרעיני החזק הוא למעשה, ובכן, חזק מאוד. כוח מוגבר זה מקשה על הבנת המתמטיקה.
פיסיקאים תיאורטיים המציאו שורה של טכניקות בכדי להתמודד עם בעיה זו, אך הטכניקות עצמן אינן שלמות או לא יעילות. אמנם אנו יודעים שחלק מהמצבים האקזוטיים הללו בספקטרום הקוורקוניום קיימים, אך קשה מאוד לחזות את תכונותיהם ואת חתימותיהם הניסיוניות.
ובכל זאת, פיזיקאים עובדים קשה, כמו תמיד. לאט לאט, עם הזמן, אנו בונים את אוסף החלקיקים האקזוטיים שלנו המיוצרים במפגשים, ומצפים תחזיות טובות וטובות יותר כיצד נראות מדינות הקורקוניום התיאורטי. גפרורים מתכנסים אט אט ומעניקים לנו תמונה שלמה יותר של הכוח המוזר אך המהותי הזה ביקום שלנו.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר מקומך ביקום.
