חלקיק החומר האחרון שהיה חסר להשלמת ההבנה של מבנה החומר,
הקווארק "עליון", התגלה לפני כמעט 16, שנים, אבל דבר התגלית הוכרז
בדיוק היום לפני 15 שנה. מדובר באחד הניסויים הפיסיקליים המורכבים
והיקרים שבוצעו מעולם: הוא התבצע במעבדות פרמי, בבטאוויה, לא רחוק
משיקאגו, ארה"ב והשתתפו בו קרוב ל-1,000 פיסיקאים מכל העולם.
עם הגילוי פוענח אחד מסודותיו השמורים ביותר של הטבע, מבנהו של החומר
המרכיב את היקום כולו, לרבות בני האדם המצויים בו (דבר שהותיר, עדיין,
כמה שאלות בסיסיות באשר לחלקיקים הנושאים את הכוחות הפיסיקליים, ובהם
החלקיק הידוע בשם "הבוזון של היגס", שאותו מקווים המדענים לגלות
באמצעות מאיץ החלקיקים החדש, LHC שהחל לפעול באחרונה במעבדה
האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, CERN, שליד ג'נבה).
התיאוריה המקובלת המתארת את מבנה החומר, קרויה "המודל
הסטנדרטי", ולפיה, החומר מורכב מ-12 חלקיקים. ששה "לפטונים",
וששה "קווארקים" (שביניהם נעים, כאמור, חלקיקים שונים הנושאים את
הכוחות ש"מחברים" את חלקיקי החומר אלה לאלה). הלפטונים כוללים
את האלקטרון, המיואון (גרסה כבדה יותר של אלקטרון), ואת חלקיק
הטאו (חלקיק דמוי אלקטרון הכבד עוד יותר מהמיואון). לכל אחד
מהחלקיקים האלה יש בן-זוג בדמותו של חלקיק ניטרינו. כך קיימים
שלושה סוגי ניטרינו (של האלקטרון, של המיואון, ושל חלקיק הטאו).
קבוצת הקווארקים מורכבת גם היא משלושה זוגות. הזוג הראשון כולל
את הקווארקים "עילי" ו"תחתי". הזוג השני כולל את הקווארקים "קסם"
ו"מוזר", והזוג השלישי כולל את הקווארקים "תחתון" ו"עליון" (שיש
המעדיפים לכנות אותם "יופי" ו"אמת"). כל החלקיקים האלה, למעט
הקווארק "עליון", נצפו עד לאותה עת, לפני כמעט 16 שנים, בניסויים
חוזרים ונשנים. עובדת חסרונו של הקווארק "עליון", היוותה את האיום
המוחשי ביותר על המודל הסטנדרטי כולו. ללא גילויו של הקווארק הזה,
התיאוריה על מבנה החומר, שנוסחה במאמצים אדירים, במשך כל ההיסטוריה
של המדע המודרני, הייתה עלולה להתגלות כחסרת ביסוס. לכן הושקעו מאמצים
רבים כל כך בניסיונות שנועדו לאפשר לחוקרים לצפות בחלקיק הסרבן.
הקווארקים "כלואים" במעין "שקים" המהווים חלקיקים דוגמת
פרוטונים וניטרונים. כדי "לשחרר" את הקווארקים מתוך ה"שקים" האלה,
השתמשו החוקרים במאיץ החלקיקים שהיה באותה עת החזק ביותר בעולם,
הקרוי טווטרון, הפועל במעבדות פרמי. מדובר במכונה המסוגלת להאיץ
חלקיקים ולהעניק להם אנרגיה של 1.2 טריליון אלקטרון-וולט. הבעיה היא,
שגם כאשר ה"שקים" (כלומר, פרוטונים וניטרונים) מתנגשים זה בזה בעוצמה
ומתפרקים, לא "נשפכים" מהם קווארקים "עליונים". זאת, מכיוון שפרוטונים
וניטרונים מורכבים משילובים שונים של הקווארקים "עילי" ו"תחתי". אין בהם
קוורקים "עליונים".
כדי להבין את מקומו של הקווארק "עליון" בתשבץ המבנה של החומר,
יש לדעת שמלבד החלוקה לשתי קבוצות (לפטונים וקווארקים), אפשר לסווג
את תריסר חלקיקי החומר גם לפי "דורות". קיימים שלושה דורות. חלקיקי
הדור הראשון הם המרכיבים את החומר בצורתו המוכרת לנו. אלה הם
הקווארקים "עילי" ו"תחתי" (המרכיבים את הפרוטונים והניטרונים),
ומולם ניצבים הלפטונים אלקטרון, והניטרינו "שלו". החלקיקים האלה
(בני הדור הראשון), הם המרכיבים את כל אטומי החומר שבעולם.
אבל, מתברר שחלקיקי הדור הראשון "מייצגים" למעשה חלקיקים
אחרים, "רמי מעלה" יותר, הניצבים "מאחוריהם" (כמו ששגרירים מייצגים
את שרי החוץ של מדינותיהם). החלקיקים "רמי המעלה" המסתתרים ברקע
התמונה, הם חלקיקי הדור השני: הקווארקים "קסם" ו"מוזר", והלפטונים
מיואון והניטרינו "שלו". במלים אחרות, חלקיקי הדור הראשון "מייצגים"
את חלקיקי הדור השני, שקשה יותר להבחין בהם ולהגיע אליהם.
חלקיקי הדור השני מתקיימים רק כאשר החומר מצוי במערכת אנרגטית
מאוד, לדוגמה, בשניות הראשונות של קיום היקום, מיד לאחר המפץ הגדול,
כאשר החומר היה חם מאוד ונע במהירות רבה. למעשה, מתברר שגם חלקיקי
הדור השני "מייצגים" חלקיקים אחרים, "רמי מעלה" עוד יותר (כמו ששרי
חוץ מייצגים את ראשי מדינותיהם). חלקיקים אלה, המהווים את הדור
השלישי של חלקיקי החומר, מסוגלים להתקיים רק במערכת אנרגטית עוד
יותר (כמו זו שהתקיימה ביקום באלפיות השנייה הראשונות לאחר המפץ
הגדול). חלקיקי הדור השלישי הם הקווארקים "תחתון" ו"עליון", והלפטונים
טאו, והניטרינו "שלו".
מכאן ברור, שאם רוצים לצפות בחלקיק מהדור השלישי (למשל,
הקווארק "עליון"), יש ליצור תנאים הדומים לאלה שהתקיימו באלפיות
השנייה הראשונות של היקום. כדי לעשות זאת, מאיצים החוקרים (במקרה זה,
באמצעות הטווטרון), זו מול זו, שתי אלומות חלקיקים, אחת של חלקיקי חומר
(פרוטונים), והשנייה של חלקיקי אנטי-חומר (אנטי-פרוטונים). אנטי-פרוטון
הוא חלקיק הזהה בכל לפרוטון, אלא שהמטען החשמלי שלו, הפוך.
כאשר חלקיקים מתאימים של חומר ואנטי-חומר פוגעים זה בזה, הם
"מחסלים" איש את רעהו, נעלמים, ובמקומם מופיעה אנרגיה האנרגיה
הזאת עשויה לחזור ולהפוך לחומר, דבר שיתבטא בהופעתם של חלקיקים שונים
(שאחד מהם יכול להיות הקווארק "עליון"). החלפת החומר באנרגיה –
וההמרה החוזרת של האנרגיה בחומר חדש, מתאפשרת על-פי נוסחת שוויון
המאסה והאנרגיה הידועה של איינשטיין (האנרגיה שווה למכפלת המאסה
בריבוע מהירות האור). משמעות הנוסחה הזאת היא, שמעט מאוד חומר שווה
להרבה מאוד אנרגיה. עיקרון זה מיושם, בין היתר, בכורים גרעיניים
ובפצצות מימן, אלא שבכורים ובפצצות ממירים מעט חומר בהרבה אנרגיה,
ובמאיצי חלקיקים עושים את ההיפך: ממירים הרבה מאוד אנרגיה, במעט
מאוד חומר.
העובדה שחלקיקי הדור השלישי (כמו הקווארק "עליון"), מתקיימים
רק במערכות אנרגטיות מאוד, מתבטאת בין היתר בכך שהם מאסיביים
וכבדים מאוד, בהשוואה לחלקיקי הדור השני, ועל אחת כמה וכמה בהשוואה
לחלקיקי הדור הראשון. לפיכך, ברור שהאנרגיה המופקת במפגש רגיל בין
פרוטון לאנטי פרוטון, אינה מספקת כדי להפיק חלקיק כה מאסיבי, כמו
הקווארק "עליון". לפיכך, האיצו המדענים את החלקיקים אלה מול אלה
במהירויות עצומות, המתקרבות למהירות האור.
בעת שהחלקיקים המואצים מתנגשים, משתחררת גם האנרגיה ה"רגילה"
של מפגש חומר ואנטי-חומר, וגם אנרגיית התנועה העצומה שלהם (דבר
שמשמעותו חיקוי התנאים ששררו בשברירי השנייה הראשונים לקיומו של
היקום). בסך הכל, משתחררת כמות אנרגיה העשוייה להיות מומרת לחלקיקי
חומר מאסיביים מספיק, כדי שביניהם יימצאו גם קווארקים "עליונים".
כך, למעשה, בהתנגשות יכולים להיווצר חלקיקים הכבדים בהרבה מהחלקיקים
המתנגשים עצמם. הטווטרון מפיק 100,000 התנגשויות כאלה מדי
שנייה, הניסיונות האלה נמשכו שנים, עד שבסופו של דבר, לפני 15 שנה בדיוק,
התגלה החלקיק החסר. זאת, מכיוון שהאנרגיה יכולה להיות מומרת להרכבים
שונים של חלקיקים. כדי שייווצר הקווארק "עליון", ההתנגשות חייבת
להתרחש כאשר שני החלקיקים המתנגשים פוגעים זה בזה בתנוחה מסוימת
(על-פי מיקומיהם של הקוורקים ה"כלואים"בהם). וזה שילוב נדיר למדי.
בנוסף לכך, אם וכאשר נוצר הקווארק "עליון" הוא מתקיים במשך
זמן קצר מאוד, פחות ממיליונית השנייה. לפי הערכות שונות, הוא מצליח
לעבור מרחק השווה לקוטרו של פרוטון אחד, לפני שהוא דועך ו"מסתתר"
מאחורי חלקיקים מהדור השני, שדועכים גם הם, וממהרים להסתתר מאחורי
חלקיקים מהדור הראשון. משמעות הדבר היא, שהפיסיקאים נאלצו ללמוד על
קיומו של הקווארק "עליון", משילובים שונים של חלקיקים, שהם, למעשה,
תוצרי הדעיכה שלו. מעין הוכחה נסיבתית לקיומו קצר המועד של החלקיק.
כדי לזהות את ההוכחות הנסיבתיות האלה (שילובי חלקיקים
מסוימים), נבנו במעבדות פרמי גלאי חלקיקים מתוחכמים, כמה אלפי
טונות משקלם, וכמה מיליוני דולר מחירם. למעשה, מאז שנת 1988 ועד
לשנת 1994, (משך זמן שהספיק לביצוע טריליון וחצי התנגשויות חלקיקים),
זוהו באמצעות גלאי החלקיקים האלה, שלושה "אירועים" שבהם נוצר כנראה
קווארק "עליון". הצלחה אחת לכל 500 מיליארד התנגשויות.
אבל, לפי חישובים שבוצעו במעבדה, מספר ההצלחות שצריכות להתקבל
בכמות כזאת של התנגשויות, קרוב יותר לארבע. לכן הפעילו החוקרים
במשך מספר חודשים את הטווטרון, בתקווה שה"אירוע" הרביעי יתרחש.
במארס 1994 התרחשה ההתגלות הרביעית, דבר שמשמעותו אישור קיומו של
הקווארק "עליון".
.
מרגע זה, התפנו יותר מ-1,000 פיסיקאים למאמץ לפתרון התעלומות
הבאות, ובהן תעלומת קיומו, או אי קיומו של "הבוזון של היגס".
.
תודה לחיים ברק על התזכורת בעניין יום השנה לגילוי הקווארק "עליון".
.
