כדורי ביליארד במאיץ החלקיקים – בין חומר לאנרגיה

.
פול ניומן וטום קרוז, כוכבי "צבע הכסף", אולי לא ידעו זאת, אבל
שולחנות ביליארד יכולים לדמות תהליכים שמתחוללים במאיצי
חלקיקים מתקדמים. שחקני ביליארד מנוסים יכולים, אולי, לחשב
מראש את המקום שבו יפגע כדור ביליארד הנהדף בפעם הראשונה,
או השנייה, מדפנותיו של שולחן ביליארד. אבל כשמדובר בשני כדורים
הנהדפים זה מול זה, כמו אלומות חלקיקים, מספר האפשרויות
מגיע לרמה שמקשה מאוד על החיזוי ועל היכולת לנתח את נתוני
ההתנגשות לאחר שכבר התחוללה.
.
כך, מדענים המנסים להבין מה קורה כשחלקיק פוגש חלקיק בקרביו של
מאיץ חלקיקים, ובפרט כשמדובר באירוע שמתחולל בין שני עצמים
הנעים במהירות הקרובה למהירות האור, מוצאים עצמם לא אחת הוגים
בשולחנות ביליארד. השורשים ההיסטוריים של העיסוק בתכונות המתמטיות
של שולחנות ביליארד נעוצים בשלהי המאה ה-19, כאשר לודוויג בולצמן
הציע שמולקולות גז הכלואות במכל סגור מתנהגות כמו כדורים בתנועה.
בדומה לכדורי ביליארד, המולקולות הללו מתנגשות אלה באלה, ומפעם
לפעם פוגעות בדפנות המכל ונהדפות מהן. כך, כל אחת ממולקולות הגז
נעה במסלול בלתי יציב ובלתי ניתן לחיזוי, הייחודי לה. תובנה זו הובילה
את בולצמן לניסוח החוק הקרוי על שמו, הקובע שבממוצע, מולקולות
גז מתפזרות בחלל נתון בצפיפות שווה.
.
כדור פוגש כדור
.
הפרוטונים והניטרונים המצויים בגרעיני האטומים, מורכבים מקוורקים,
ומחלקיקים הנושאים את הכוח שמחזיק אותם יחד, הקרויים גלואונים. במובן
מסוים אפשר לראות את הפרוטונים והניטרונים כמעין "כדורים" שמכילים
בתוכם מרכיבים וחלקים שונים. כאשר שתי אלומות של "כדורים" כאלה
נעות זו מול זו, ה"כדורים" יכולים להדוף זה את זה למגוון כיוונים. בחלק
מהמקרים הם "נשברים", והחלקיקים שמרכיבים אותם נשפכים החוצה.
אבל בשלב הראשון, המדענים מבקשים לדעת, מה באמת קורה כאשר כדור
כדור פוגש כדור.
.
בעבר פותחה נוסחה המתארת את פיזורם של חלקיקים לאחר שהם מתנגשים
זה בזה (לרבות המקרים שבהם שני החלקיקים המתפזרים שונים מהחלקיקים
ה"מקוריים" שהתנגשו זה בזה). נוסחה זו איפשרה לתאר בשתי דרכים את
פיזור החלקיקים לאחר התנגשות. תיאור אחד מתבסס על מסלולי התנועה של
החלקיקים הנכנסים ל"איזור ההתנגשות", ואילו התהליך השני מתבסס על
מסלול של חלקיק אחד הנכנס ל"איזור ההתנגשות" ומסלול של חלקיק אחד
שיוצא (למעשה, ניתז) ממנו.
.
אבל נוסחה זו התבססה בעיקר על התנועה "קדימה של אלומות החלקיקים.
עכשיו בא יואן גנג ממכון ריקן ביפן, ומעיר את תשומת לב העולם המדעי
לעובדה (הידועה היטב) שלפי לחלקיקים (גם לפרוטונים וניטרונים חופשיים
הנעים באלומה, במאיץ), יש תנועה נוספת שאפשר לתארה כספין מקוטב,
כלומר, מעין תקיפת סחרור המתחוללת בניצב לכיוון התנועה של קרן
החלקיקים.
.
כך, מתברר שתוצאת ההתנגשות תלויה בכיוון הספין של הפרוטונים שבאלומה.
השאלה כיצד אפשר להכליל את התופעה הזאת בחישוב תחזיות ההתנגשויות
וניתוח התפזרויות החלקיקים הנובעות מהן, היא, עדיין, שאלה פתוחה.