מדע מדויק: פרופ' מרק קרלינר מביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה חזה את מסתו של חלקיק נדיר

לפני שלוש שנים חזה פרופ' מרק קרלינר, פיזיקאי תאורטיקן המתמחה בפיזיקת החלקיקים האלמנטריים מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם עמית מארה"ב, את מסתו של חלקיק תת-אטומי חדש שטרם נצפה כמותו. פיזיקה תאורטית היא ענף בפיזיקה המשתמש במודלים מתמטיים ובמערכות פיזיקליות מופשטות כדי לתאר ולנבא התנהגות של מערכות פיזיקליות טבעיות. זאת בניגוד לפיזיקה ניסויית המשתמשת בכלים ניסויים כדי לבדוק מערכות אלו.

בשבוע שעבר, מדענים במאיץ החלקיקים הענק ב-CERN ליד ג’נבה הכריזו על הגילוי הניסיוני של החלקיק. המסה שלו נמדדה ונמצאה זהה כמעט לחלוטין למסה שחזה פרופ' קרלינר: הניבוי התברר כמדויק ברמה של קצת מעל 99.8%. הפרטים אודות החלקיק החדש, המכונה ++Xi-cc, הוצגו בכנס של פיזיקת אנרגיה גבוהה בוונציה.

החלקיק החדש בעל השם המוזר יוכל לשפוך אור על אופי הכוחות הפועלים בין הקווארקים – החלקיקים היסודיים מהם מורכבים פרוטונים וניוטרונים, אשר בתורם מהווים את אבני הבניין מהם עשויים גרעיני האטומים, ולפיכך גם כל החומר ביקום שסביבנו.

הכוח החזק של גרעין האטום

ישנם שלושה קווארקים קלים ושלושה כבדים. מבין השישה, הקווארק הכבד ביותר, המכונה top, חי זמן קצר כל כך שאינו מספיק להתקשר עם חמשת הקווארקים האחרים. יתר החמישה יוצרים קשרים זה עם זה. כל שלישייה מתוך החמישה יכולה להתקיים במגוון רחב של קומבינציות. ככל שהחלקיקים כבדים יותר, קשה יותר לייצר אותם במאיץ החלקיקים, מפני שיצירתם דורשת יותר אנרגיה והם מתפרקים מהר. הכוח הפועל בין הקווארקים מכונה "הכוח החזק" והוא אחד מארבעת כוחות היסוד בטבע (לצד הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש וכוח הכבידה). לא לשווא הוא מכונה "הכוח החזק" – עוצמתו היא פי ‎10³⁸‎ מעוצמת כוח הכבידה. אך טווח הפעולה של הכוח החזק הוא מצומצם מאוד - בסדר הגודל של קוטר גרעין האטום. הכוח החזק מחבר קווארקים לכדי האדרונים (חלקיקים מורכבים העשויים מקווארקים וגלואונים). ההאדרונים נחלקים לבאריונים ומזונים. עם הבאריונים נמנים הנוקליאונים, שהם הפרוטון והנייטרון.

עד היום נצפו באריונים שכוללים שלושה קווארקים קלים או קווראק כבד אחד ושניים קלים, אך בין המומחים היה קונצנזוס מוחלט שחייבים להיות קיימים גם באריונים עם שני קווארקים כבדים. "האתגר היה לחזות מתוך התיאוריה את התכונות השונות של השלישייה שכוללת שניים כבדים ואחד קל," מסביר פרופ' קרלינר, "וזה כולל בראש ובראשונה את המסה שלהם.”

במאמר שכתב פרופ' קרלינר בשנת 2014, בשיתוף עם פרופ' ג'ונתן רוזנר מאוניברסיטת שיקאגו, שבצעירותו היה חוקר בתר דוקטורט אצל פרופ' יובל נאמן באוניברסיטת תל אביב, הם חישבו את כל הקומבינציות האפשריות של שני קווארקים כבדים וקווארק אחד קל, והגיעו למסקנה שישנן שלוש אפשרויות עם תת גוונים.

החיזוי המדויק ביותר

"במאמר חזינו את המסה של החלקיק ועוד תכונות שטרם נמדדו. בתוצאות שפורסמו בכנס גדול של החברה האירופית לפיזיקה המוקדש לחלקיקים אלמנטריים, שחררו המדענים את התוצאה הנסיונית שהם עובדים עליה כמעט שלוש שנים בסודיות מוחלטת. השורה התחתונה היא שהמסה שהם מדדו מאוד קרובה למסה שאנחנו חזינו. המסה שהם מדדו היא 3621 פלוס מינוס 1, ביחידות הנקראות MeV. החיזוי שלנו מלפני שלוש שנים הוא 3627 פלוס מינוס 12. השגיאה בניבוי היא פחות מ-0.2% ממה שהתגלה בפועל. רבים לפנינו ניסו לנבא את המסה, עשו חישוב בשיטות שונות, פרסמו את התוצאות וכעת מתברר שפספסו. החיזוי שלנו הכי מדויק. על מנת להמחיש, החלקיק החדש כבד כמעט פי 4 מהפרוטון, והמטען החשמלי שלו כפול מזה של הפרוטון.”

עתה, צוות המחקר ב-CERN ימדוד מאפיינים נוספים של החלקיק ++Xi-cc. המדידה הזו תאפשר להעמיק באופן משמעותי את הבנת הכוח הפועל בין הקווארקים, ותסייע לחוקרים להבין טוב יותר את הכוח החזק, המחזיק את מרכזי האטומים יחד. אנשי CERN יעשו מאמץ למצוא חלקיקים נוספים הכוללים שני קווארקים כבדים.

"הדבר הראשון שאני מצפה לו היא מדידה של זמן מחצית החיים של החלקיק, כלומר כמה זמן לוקח לו עד שהוא דועך לחלקיק קל יותר. גם לנתון זה יש תחזית במחקר שלנו, וכשימדדו אותו נדע כמה דייקנו גם בזה." מסכם פרופ' קרלינר.