חלקיקים אלמנטאריים
והמודל הסטנדרטי

כרומודינאמיות קוונטית

הכרומודינאמיות הקוונטית היא תיאוריה הבאה להסביר כיצד פועל הכוח החזק, שמועבר על-ידי הגלואונים, על החלקיקים שעליהם הוא פועל.

לפני שנדון בתיאוריה זו ניזכר תחילה בתיאוריה קוונטית אחרת, שכבר למדנו עליה ושיש קווי דמיון בינה ובין התיאוריה החדשה. התיאוריה הקוונטית שכבר למדנו עליה היא מכאניקת הקוונטים.

במכאניקת הקוונטים למדנו על הכוח האלקטרומגנטי ועל האופן בו הוא מועבר בין חלקיקים בעזרת הבוזון הנקרא פוטון. הפוטון הוא החלקיק הנושא את האנרגיה האלקטרומגנטית ומעביר אותה בין חלקיקי החומר בעלי תכונה המאפשרת להם אינטראקציה עם הכוח האלקטרומגנטי. תכונה זו היא המטען החשמלי. העברת אנרגיה אלקטרומגנטית מתאפשרת רק לחלקיקים וגופים נושאי מטען חשמלי, כלומר, שאינם ניטראליים מבחינה חשמלית.

דוגמה לחלקיק בעל תכונה של מטען חשמלי שונה מאפס הוא האלקטרון. כבר ראינו כשלמדנו על מכאניקת קוונטים שאלקטרון מסוגל לבלוע פוטון ולפלוט פוטון. כאשר אלקטרון קולט פוטון הוא מקבל ממנו מנת אנרגיה וכאשר הוא פולט פוטון הוא מאבד מנת אנרגיה.

כדי לתת מענה ולהסביר את אופן פעולתו של הכוח הגרעיני החזק פותחה במקביל למכאניקת הקוונטים תיאוריה קוונטית חדשה הנקראת כרומודינאמיות קוונטית.

בכרומודינאמיות הקוונטית הכוח הגרעיני החזק מחליף את הכוח האלקטרומגנטי והגלואון מחליף את הפוטון. כלומר, הכוח הגרעיני החזק נישא על-ידי הבוזון הנקרא גלואון. את תכונת המטען החשמלי המאפשרת קבלה של הכוח האלקטרומגנטי מחליפה תכונה אחרת המאפשרת קבלה של הכוח הגרעיני החזק. כלומר, הגלואון יכול להעביר את השפעת הכוח הגרעיני החזק שהוא נושא רק לחלקיקים בעלי תכונה מיוחדת המאפשרת את קבלתה.

אותם חלקיקים בעלי תכונה מיוחדת הם הקווארקים ואותה תכונה מיוחדת זכתה לשם צבע. השם צבע ניתן לתכונה המיוחדת זאת על אף שאין כל קשר בינה ובין משמעות תכונת הצבע כפי שהיא מוכרת לנו (שהיא בעצם תכונה אלקטרודינמית). השימוש במונח צבע הוא אולי מטעה בהתחלה, אך כפי שנראה הוא נוח בצורה מסוימת לחישוב הקשרים בין סוגי הקווארקים וסוגי הבוזונים.

עבור כוח אלקטרומגנטי תכונת המטען החשמלי היא אחת ומיוצגת על-ידי המטען חשמלי שיש לו קוטביות – חיובי או שלילי. עבור הכוח הגרעיני החזק תכונת הצבע היא בעלת שלושה ערכים אפשריים שונים, אדום, ירוק וכחול שלכל אחד מהם תיתכן קוטביות – צבע או אנטי-צבע. קוטביות של אנטי-צבע משמעה היעדר של אותו צבע אחד מבין השלושה.

כלומר, כל קווארק מתוך ששת סוגי הקווארקים השונים יכול להיות אדום, ירוק, כחול או בעל העדר של צבע אחד מבין שלושת הצבעים הללו. מכאן שנקבל שישנם 36 צירופים שונים של סוג קווארק וסוג תכונת צבע שהוא נושא עימו!

כידוע בטבע יש שאיפה להגיע לאיזון. האטום במצבו הטבעי והניטראלי מגיע לאיזון מבחינת הכוח האלקטרומגנטי כאשר מספר האלקטרונים שבו שווה למספר הפרוטונים שבגרעינו. באופן דומה הפרוטונים והניוטרונים, המורכבים מקווארקים בעלי תכונת הצבע, מגיעים כל אחד לאיזון ולניטראליות מבחינת תכונת הצבע כל אחד בפני עצמו.

כל פרוטון וניוטרון הוא כזכור בריון, כלומר, מורכב משלושה קווארקים. כל קווארק מבין השלושה הוא בעל תכונת צבע שונה משל האחר. כאשר מחברים שלושה קווארקים שלכל אחד מהם תכונת צבע אחרת מתקבל ביטול של תכונת הצבע (או ניטראליות שלה) בגוף המחובר – הבריון. ממש כשם שהצירוף של שלושת הצבעים, אדום, ירוק וכחול יוצר כידוע את הצבע הלבן, שהוא לצורך העניין ניטראלי או חסר צבע.

דוגמה למבנה בריון ניטראלי

בנוסף לשלושת הצבעים קיימים, כפי שציינו קודם, גם שלושה ערכי אנטיצבע (מצירוף המילים אנטי צבע): אנטיאדום, אנטיירוק ואנטיכחול. צבעים אלו מאפשרים לחבר גם רק שני קווארקים יחד, במבנה של מזון ועדיין לקבל איזון וניטראליות מבחינת תכונת הצבע. שני הקווארקים המרכיבים את המזון יהיו האחד בעל תכונת צבע והשני בעל תכונת אנטי-צבע המתאימה לו והמבטלת אותו.

דוגמה למבנה מזון ניטראלי

כפי שראינו בדוגמה שלעיל ניתן לתאר את תכונת האנטי-צבע בעזרת צבע. למשל, האנטיירוק מתקבל מערבוב של כחול ואדום הנותן סגול. האיור הבא מתאר את כל ששת הצבעים שבכרומודינאמיות הקוונטית, כאשר שלושה מהם הם אנטי-צבע,

ששת תכונות הצבע בכרומודינאמיות הקוונטית

בניגוד לפוטון שהיה חסר מטען חשמלי, כאן הגלואון הוא בעל תכונת מטען צבע בעצמו. כל גלואון נושא זוג של צבע ואנטיצבע שלא תואם לו. כך מתאפשרת העברה של מטען הצבע בין קווארקים במערכת סגורה תוך שמירה על חוק שימור מטען הצבע בה.

נמחיש זאת בעזרת הדוגמה הבאה.

ברשותנו מערכת סגורה הכוללת פרוטון המורכב משלושה קווארקים. כל אחד משלושת הקווארקים נושא מטען צבע שונה. הקווארק האדום יכול להעביר את מטען הצבע לקווארק הירוק על-ידי פליטה של גלואון מתוכו הנושא מטען צבע זוגי של אדום-אנטיירוק. עקב פליטת הגלואון מאבד הקווארק האדום את המטען צבע האדום שהיה לו ובמקומו הוא רוכש מטען צבע ירוק כדי לאזן את מטען הצבע האנטיירוק שנפלט ממנו. כך הקווארק האדום הופך לקווארק ירוק. גלואון זה יבלע על-ידי הקווארק הירוק. עקב בליעת הגלואון בעל המטען אדום-אנטיירוק יהפוך הקווארק הירוק לקווארק אדום.

נשים לב שבשל העובדה שהגלואונים הם נושאי מטען צבע בפני עצמם (שלא כמו הפוטונים שאינם נושאים מטען חשמלי) הם יכולים לבוא באינטראקציה בינם לבן עצמם. כלומר, כאשר זוג קווארקים המקושרים ביניהם בעזרת גלואונים מתרחקים אחד מהשני מתארכת שרשרת הגלואונים המקשרת אותם בעזרת פליטה של עוד זוגות גלואונים נושאי מטען צבע זוגי הפוך המבטלים זה את זה.

נציין שלחלקיקים האלמנטריים ניתנה בנוסף לתכונת הצבע גם תכונה של טעם. שוב, אין כל קשר בין השם שניתן לתכונה המיוחדת הנוספת, שמייד נלמד עליה ובין תכונת הטעם כפי שהיא מוכרת לנו מחיי היומיום.

התכונה הנוספת של החלקיקים, שניתן לה השם "טעם", באה לתאר את המצב של החלקיק מבחינת יכולתו להפוך לחלקיק מסוג אחר. ביכולתו של הכוח הגרעיני החלש לפעול על חלקיק יסודי, קווארק או לפטון ולהפכו לחלקיק יסודי אחר, יציב יותר.

את שמות הטעמים (המיוחדים) של הקווארקים כבר הכרנו, אלו הם שמות החלקיקים שהוצגו בפרק על הקווארקים:

    1. מעלה (up)
    2. מטה (down)
    3. קסם (charm)
    4. מוזרות (strange)
    5. עליון (top)
    6. תחתון (bottom)

גם ללפטונים יש שישה טעמים, ששמותיהם פחות מיוחדים ואלו הם שמות החלקיקים כפי שהוצגו בפרק על הלפטונים:

    1. אלקטרון (electron)
    2. אלקטרון נוטרינו (electron neutrino)
    3. מואון (muon)
    4. מואון נוטרינו (muon neutrino)
    5. טאו (tau)
    6. טאו נוטרינו (tau neutrino)

הכוח הגרעיני החלש פועל על החלקיקים בעלי המסה הגדולה יותר, שהם הינם פחות יציבים ומפרקם לרמה נמוכה לחלקיק בטעם אחר עם מסה קטנה יותר (חלקיק מדור קודם).

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - פיזיקה גרעינית | פיזיקה גרעינית - חלקיקים אלמנטאריים והמודל הסטנדרטי : קווארקים | לפטונים | פרמיונים ובוזונים | כרומודינאמיות קוונטית | המודל הסטנדרטי | סיכום ]