לאן נעלמים החלקיקים הנעלמים? ואיך זה קשור לסיפור הבריאה?

.
מיקרו-שניות בודדות אחרי המפץ הגדול, התמלא היקום בפלסמה – מעין
מרק חם של חלקיקים יסודיים הקרויים קוורקים וגלואונים, ואשר מהם
נוצרו, בהמשך, הפרוטונים והניטרונים המוכרים לנו כיום. כמה חמים,
בדיוק, היו הקוורקים והגלואונים החופשיים? איך יודעים אם באמת
נוצרה במאיץ החלקיקים תערובת החומר הבראשיתית?
.
בשנים האחרונות מתרבים הסימנים לכך שקבוצה בין-לאומית
של מדענים, שעובדים במאיץ היונים הכבדים
(RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider)
במעבדה הלאומית ברוקהייבן שבניו-יורק, מצליחים ליצור פלסמת קווארק-גלואון
כמו זו שמניחים שהתקיימה בראשית קיומו של היקום. הקוורקים והגלואונים
האלה נוצרו לאחר התנגשות אנרגטית של יוני זהב שהואצו אלה מול אלה
והתנגשו בעוצמה. ההתנגשות המירה בתחילה חלק מהחומר לאנרגיה (על-פי
נוסחת שוויון החומר והאנרגיה של איינשטיין). לאחר התקררות מסוימת,
חזרה האנרגיה והומרה לחומר (לפי אותה נוסחה). כך נוצרים באיזור
ההתנגשות חלקיקים שונים שביניהם המדענים מקווים למצוא גלואונים
וקוורקים חופשיים בתצורת חומר שהתקיימה במיקרו-שניות הראשונות לאחר
הולדת היקום במפץ הגדול.
.
הבעיה היא שאין לנו עדיין יכולת למדוד ולזהות גלואונים וקוורקים חופשיים.
לכן אנחנו נאלצים לסגת לקו איורי יחסית, של הוכחה נסיבתית. אילו
אירועים יכולים להוות הוכחה נסיבתית להיווצרות פלסמת קוורק-גלואון?
ובכן, מתברר שב"גישושי ההתארגנות" הראשוניים שלהם, שמובילים בהמשך
לכך שהקוורקים מתארגנים בקבוצות (שלישיות) שיוצרות פרוטונים וניטרונים,
הקוורקים מתחברים ויוצרים יחד חלקיקים שונים שאינם מאריכים ימים. כאלה
הם, למשל, המזונים. מזון הוא מעין שילוב, או צימוד, של קוורק עם אנטי-קוורק.
כאשר גלאי החלקיקים מודדים פחות מזונים מכפי שמנבאת התיאוריה, הם מסיקים
מכך (עדות נסיבתית) שיותר קוורקים (ולכן גם גלואונים) "מסתובבים חופשיים
בשטח".
.
.
.

.
הגלאי "פניקס" במעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו-יורק, ארה"ב
.
.
למעשה, גם את המזונים אנחנו לא ממש מצליחים למדוד ולגלות באופן ישיר, ולכן,
שוב, נזקקים המדענים לטכניקת העדות הנסיבתית (שסובלת, בעולם המשפט, משם
רע יחסית, ולמוגבלות מסוימת ביכולת להשתמש בה). בכל אופן, גלאי החלקיקים
מסיקים שקיימים מזונים בשטח, על-פי מספר האלקטרונים והמיואונים שהם קולטים
ומזהים (מיואון הוא חלקיקי השווה בכל לאלקטרון, לרבות מטענו החשמלי השלילי,
אלא שהוא מאסיבי ממנו בהרבה). כאן עולה קושי נוסף: אלקטרונים יכולים להיפלט
ממספר רב יחסית של מקורות בסביבה, ולא כולם מעידים בהכרח על הימצאות
מזונים (שמעידים, בתורם, על הימצאות קוורקים וגלואונים חופשיים).
.
כדי לבודד את המקורות שאינם רלוונטיים לחיפוש אחר מזונים, עקבו מדעני צוות
פניקס אחר המיואונים והאלקטרונים שנוצרו באיזור ההתנגשות. הם גילו שמקורות
שונים פולטים אלקטרונים ומיואונים במהירויות שונות. מכאן הסיקו שאפשר יהיה
לזהות את מהירות הפליטה של מיואונים ואלקטרונים שמעידים על הימצאות מזונים

(שמעידים על הימצאות קוורקים וגלואונים חופשיים). סקר שביצעו בשנים האחרונות
מדענים ממכון ריקן ביפן, מציע חלוקה כזאת שעשויה להבחין ולהבדיל את
האלקטרונים ןהמיואונים המבוקשים, מכל היתר. הצעה זו טרם התקבלה, אך היא
נבחנת בימים אלה במקומות שונים בעולם.
.
גז? – נוזל!
.
תוצאות הניסוי הפתיעו את המדענים בכמה תחומים נוספים. ראשית, הם סברו
שהפלסמה הבראשיתית תהיה דומה לגז, אבל פלסמת הקווארק-גלואון
שנוצרה (כנראה) במאיץ התנהגה דווקא כנוזל מושלם – נוזל שבו החלקיקים
משפיעים בעוצמה רבה זה על זה, וזורמים כמעט ללא התנגדות או צמיגות.
.
חם? מתחמם!
.
המאמץ לקבוע את הטמפרטורה של פלסמת הקווארק-גלואון הפך לאתגר
שההתמודדות אתו דרשה כמה שנים טובות של עבודה. כל גוף חם פולט
חלקיקי אור, פוטונים, ולכן, אפשר למדוד את טמפרטורת הקוורקים והגלואונים
באמצעות הפוטונים שנקלטים בגלאים. לרוע המזל, פוטונים נפלטים גם
ממקורות אחרים במהלך ההתנגשויות, ובידוד וזיהוי המקורות האלה
חייבו מאמץ וזמן רב. אבל בסופו של גבר התקבלה תוצאה מפתיעה:
ארבעה טריליון מעלות צלסיוס.
.
טמפרטורה זו גבוהה די והותר כדי לקרוע את הפרוטונים והניטרונים המצויים בגרעיני
אטומי הזהב. המדענים סבורים כי מחוץ למעבדה, טמפרטורות גבוהות כאלה לא נראו
ביקום מאז שבר השנייה הראשון לקיומו. ברגע שאחריו התחיל היקום להתקרר,
והקוורקים והגלואונים התאחדו כדי ליצור פרוטונים וניטרונים – אבני היסוד של כל
החומרים שאנו מכירים היום.

כתיבת תגובה

כתובת הדוא"ל לא תפורסם.