כמעט כל דבר בעולם ניתן לחלוקה לשלושה חלקים. פרוטון, למשל,
מורכב בעיקרו משלושה קווארקים: עילי, עילי ותחתי. הניטרון גם הוא
נחלק בעיקרו לשלושה קווארקים: תחתי, תחתי ועילי. אם כך, הקווארקים
בונים את הפרוטונים ואת הניטרונים, והרכבים שונים של פרוטונים
וניטרונים, בונים את גרעיניהם של כל אטומי החומר. אבל אילו יחסים
שוררים בין הקווארקים הכלואים בתוך הניטרונים ו/או הפרוטונים? מדוע
הניטרונים והפרוטונים נצמדים אלה לאלה ומייסדים גרעיני אטומים?
מדוע הם לא מתפזרים ביקום, חלקיק לנפשו? שאלות אלה עומדות בבסיס
הקיום החומרי ביקום.
האטום הפשוט ביותר ביקום, אטום המימן, בנוי משני גופים: גרעין
המכיל פרוטון אחד, שסביבו נע אלקטרון אחד. מכיוון שהפרוטון נושא
מטען חשמלי חיובי, ואילו האלקטרון נושא מטען חשמלי שלילי, פועל
ביניהם הכוח האלקטרומגנטי, הגורם לאלקטרון להקיף את הפרוטון. כאן,
פחות או יותר, מסתיימת יכולת החישוב וההבנה המלאה שלנו.
כאשר מנסים לרדת לשורשי קיומה של מולקולת מימן, התמונה נעשית
מורכבת יותר (רוב המימן ביקום מצוי במצב צבירה גזי, שבו הוא מאורגן
במולקולות שכל אחת מהן מכילה שני אטומי מימן). מדוע ששני אטומים
עצמאיים ייצמדו זה לזה וייסדו מולקולה משותפת? הרי מכיוון שכל אטום
בפני עצמו הוא גוף ניטרלי מבחינה חשמלית, הכוח האלקטרומגנטי הפשוט
לא פועל ביניהם (לא במשיכה הדדית ולא בדחייה הדדית).
על אף האדישות ההדדית המתבקשת, מתברר שבין אטומי המימן קיימת
משיכה מסוימת בטווח הארוך (כשהם מרוחקים זה מזה), ודחייה מסוימת
בטווח הקצר (כשהם קרובים מאוד זה לזה). שיווי המשקל בין המשיכה
לדחייה נוצר כאשר האטומים מרוחקים כמה אנגסטרומים זה מזה (אנגסטרום
הוא החלק העשרה מיליון של המילימטר). כוח המשיכה-דחייה הפועל על
האטומים שבמולקולה קרוי כוח ואן-דר ואלס. זהו כוח שאריתי הנובע
מפעילותם של הכוחות החשמליים, היסודיים יותר, הפועלים בין חלקיקי
החומר.
מולקולת מימן כוללת ארבעה גופים: שני פרוטונים (בגרעינים
נפרדים) ושני אלקטרונים המקיפים אותם. מבנה לא מסובך למראה, אלא
שאיש אינו יודע לתאר במדויק את מערך הכוחות והיחסים השוררים בין
ארבעת הגופים האלה.
אי ההבנה מעמיקה כאשר מנסים לבחון גרעיני אטומים הכוללים
פרוטונים וניטרונים. הגרעין הפשוט ביותר מהסוג הזה, הוא גרעין
איזוטופ המימן דויטריום, הכולל פרוטון אחד וניטרון אחד. כאמור,
הניטרון מורכב משלושה קווארקים והפרוטון גם הוא כולל שלושה
קווארקים. כלומר, הניסיון להבין את מערך היחסים בגרעין הדויטריום,
מחייב יכולת טיפול במערכת הכוללת שישה גופים (וכאמור, הטיפול במערכת
קטנה יותר, בת ארבעה גופים בלבד, כמו מולקולת המימן, הוא כבר מעל
לכוחותינו).
המאמץ להבין את מערך היחסים בין ששת הקווארקים בגרעין
הדויטריום, מתחיל בניסיון צנוע יותר, להבין את מערך היחסים בין
שלושה קווארקים בלבד (אלה שמרכיבים את הניטרון, או אלה שמרכיבים את
הפרוטון). בין הקווארקים פועל הכוח החזק ביותר בטבע, הקרוי כוח הצבע. כוח
זה נישא על-ידי שמונה חלקיקים הקרויים גלואונים ("דבקנים"), הנעים
בין חלקיקי החומר (הקווארקים). כוח הצבע מתאפיין בכך שהוא חזק מאוד
במרחקים ארוכים, וחלש יחסית במרחקים קצרים. בתכונה זו הוא שונה מכל
הכוחות האחרים הידועים בטבע (ודומה לקפיץ). כלומר, ככל שמנסים
להרחיק קווארקים (שביניהם הוא פועל) זה מזה, כוח הצבע הפועל ביניהם
מתגבר – ומונע את הפירוד. לכן אי-אפשר לבודד קווארקים למשך זמן
העולה על חלקיקי שנייה. לכן, בין היתר, כל כך קשה לעקוב אחר מערכת
היחסים הדינמית שמנהלים ביניהם הקווארקים הכלואים בשק הפרוטון, או
בשק הניטרון. לעומת זאת, הפרוטון והניטרון הם "חסרי צבע", ולכן אפשר
לבודד ולחקור אותם. תכונת הניטרליות מבחינת כוח הצבע בפרוטון או
בניטרון נובעת מאיזון ומביטול הדדי של מטעני הצבע של הקווארקים
הכלואים בהם. הדבר דומה לאטום שהוא ניטרלי מבחינה חשמלית, מכיוון
שהפרוטונים (הנושאים מטען חשמלי חיובי), והאלקטרונים (הנושאים
מטען חשמלי שלילי), הכלולים בו, מאזנים אלה את אלה.
הכוח העיקרי המלכד את הפרוטונים והניטרונים בגרעין האטום, הוא
הכוח הגרעיני שנראה כי במובן מסוים הוא מעין כוח שאריתי של כוח
הצבע הפועל בין הקווארקים. אבל כוח זה, שהבנתו חיונית להבנת מערך
היחסים בין החלקיקים המרכיבים את הגרעין, אינו דומה לכוח הצבע.
אומנם הוא מפעיל דחייה ומשיכה בטווחי מרחק שונים (טווח הפעולה הכולל
שלו הוא בסדר גודל של החלק ה-100,000 מגודל האטום), אבל ה"היגיון",
או נוסחת הפעולה שלו עדיין לא ידועים.
בניסיון לענות על השאלות האלה, מוצעים לפחות שני מודלים
אפשריים. המודל הראשון מציע שדליפה מסוימת של גלואונים מתוך
הפרוטונים או הניטרונים, היא האחראית ליצירת גרעיני האטומים. כלומר,
הגלואונים הדולפים ממשיכים לעשות במערכת הגדולה יותר, את מה שהם
יודעים לעשות: הם "תופרים" פרוטונים וניטרונים אלה לאלה. לפי התיאור
הזה, הכוח הגרעיני הוא כוח שאריתי של כוח הצבע במלוא מובן המלה.
המודל השני מורכב מעט יותר. הוא מציע להתעלם לחלוטין מקיומם של
הקווארקים, ולהתמקד בתהליכים המתחוללים בתוך גרעין האטום כולו,
כישות אחת. לפי התפיסה הוותיקה של המודל הזה, הפרוטון מוקף תמיד
במעין עננה של חלקיקים הקרויים מזונים הנפלטים ונקלטים על-ידי
ניטרונים או פרוטונים בגרעין. כלומר, המזונים האלה הם החלקיקים
הנושאים את הכוח הגרעיני. לפי התפיסה המודרנית של המודל (הרואה
במזון חלקיק המורכב מקווארק ומאנטי קווארק), גרעיני האטומים הם
מעין "מכלאות" שבהן כלואים בצפיפות פרוטונים וניטרונים, כשמזונים
מקיפים אותם ומונעים מהם להתפזר לכל רוח.
שני המודלים האפשריים האלה חיים בשלום עם התיאוריה המקובלת של
דינמיקת הצבע הקוונטית (QCD), שהיא התיאוריה המקובלת באשר למערכת
היחסים שבין חלקיקים בגרעין האטום. המודלים גם חוזים בהצלחה כמה
מתכונותיהם של הפרוטונים והניטרונים, כמו למשל מאסותיהם, מטענם
החשמלי ומצבי העירור שלהם (מצבים שבהם החלקיקים אנרגטיים יותר). הם
גם חוזים בהצלחה ומתאימים לתוצאות ניסויים שונים. עם זאת, אף אחד
מהמודלים האלה אינו מציג תוצאות נכונות בכל המקרים (ולפיכך כל אחד
מהם שימושי בתחום אחר).
בניסיון להכריע בין המודלים המוצעים, מתמקדים הפיסיקאים
בתחומים שבהם אין הסכמה ו/או אחדות בין ניבויי המודלים ותחשיביהם.
מצב אחד כזה מבוסס על התפיסה שהפרוטון אינו כדור, וכי הוא בעל מבנה
לא סימטרי (בדומה לכדור-הארץ, למשל). מבנה הפרוטון עשוי להשפיע על
מערכת היחסים שבין הקווארקים הכלואים בו. הפיסיקאים המנסים ללמוד על
מיקומיהם ותנועותיהם של הקווארקים שבפרוטון, יורים אלומות של
אלקטרונים (שפולטים פוטונים של קרינת גאמה) לעבר גרעינים של אטומים.
האלקטרונים הנורים לעבר הגרעינים ניתזים לאחור, או הצידה, וזווית
ההחזרה שלהם עשויה ללמד על אופיה של המטרה שבה פגעו (האם פגעו
ברווחים שבין הקווארקים שבפרוטון, או בקווארקים עצמם, באיזו זווית
ניצבו הקווארקים שבהם פגעו, ועוד). במלים אחרות, מאיץ החלקיקים
משמש במקרה זה כמעין מיקרוסקופ המתמקד במתחולל בתוככי הפרוטונים.
בניסויים רבים כאלה הפעילו החוקרים מאיצי חלקיקים בעלי אנרגיות
גבוהות, במטרה ליצור התנגשויות רבות עוצמה בין החלקיקים, דבר
שהביא להתרסקותם של החלקיקים ואף לחילוף בין חומר לאנרגיה, ובחזרה
מאנרגיה לאוסף מקרי של חלקיקים (בהתאם לנוסחת חילוף
החומר והאנרגיה הידועה של איינשטיין). אבל, בניסוי שנועד לבחון בין
היתר את המתחולל בתוך הפרוטונים, הפיסיקאים מפעילים את מאיצי
החלקיקים ברמות אנרגיה נמוכות יחסית ("פחות זה לפעמים יותר"). לדוגמה,
בניסוי שבו אושר לראשונה קיומו של הקווארק "עליון", שבוצע במאיץ
החלקיקים במעבדות פרמי שבבטאוויה, ליד שיקאגו), הופעל מאיץ חלקיקים
באנרגיה שעוצמתה 1,800 גיגה (מיליארד) אלקטרון וולט. לעומת זאת,
הפיסיקאים שמנסים לגלות את צפונות הקווארקים שבפרוטון, מפעילים
מאיצי חלקיקים באנרגיה של 1 – 6 גיגה אלקטרון וולט בלבד.
כדי להשיג מידע ברור יותר על מה שמתחולל בתוך הפרוטונים עצמם,
נבנה מאיץ חלקיקים מיוחד, המסוגל לפעול באנרגיות של 0.4 – 4.0
גיגה אלקטרון וולט בלבד. המאיץ, שנבנה בניופורט ניוז, וירג'יניה, נחשב
למכונה המותאמת ביותר בעולם לסוג זה של מחקרים.
במאיץ זה נבדקים מבנה הפרוטון, מבנה הניטרון וכן מצבים
מעוררים שלהם (מצבים אנרגטיים יותר). בסדרת ניסיונות אחרת ינסו החוקרים
להשתמש במאיץ ליצירת "שק חלקיקים" שיכלול את הקווארק "מוזר" ("שקי
חלקיקים" אחרים, דוגמת פרוטונים וניטרונים, מורכבים משילובים של
הקווארק "עילי" עם הקווארק "תחתי" בלבד). "שק החלקיקים" שיכלול את
הקווארק "מוזר", קרוי "היפרון". מכיוון שהקווארק "מוזר" דועך
במהירות רבה והופך לקווארק "עילי" או "תחתי", משך הקיום של
ה"מוזרון" הוא קצר מאוד (כמה מיליארדיות של שנייה). בנוסף לכך
סיכויי היווצרותו של ה"היפרון" מעטים במיוחד. כתוצאה מכל אלה, המחקר
בתכונותיו של החלקיק הזה ובדרכי השפעתו על גרעיני האטומים, הוא
מלאכה מורכבת למדי הניתנת לביצוע רק בתנאי מעבדה מיוחדים.
השערה נוספת היא, שבגרעיני האטומים נפרצים לעתים הגבולות הברורים
שבין ניטרונים לפרוטונים. ייתכן שפרוטונים וניטרונים הבאים במגע אלה עם
אלה עשויים – בתנאים מסוימים – להיפתח זה אל זה ולהחליף "חומרים"
(כלומר קווארקים) ביניהם. במלים אחרות, נראה שהמציאות החומרית בגרעיני
האטומית אינה כה יציבה, ושמתחת למעטה הקשוח שלהם, חלקיקי החומר
מנהלים חיי חברה סוערים, המתבטאים אפילו בחילוף חומרים.
