חלקיקים אלמנטאריים
והמודל הסטנדרטי

המודל הסטנדרטי

החלוקה לפרמיונים, חלקיקי החומר האלמנטריים ולבוזונים נושאי ארבעת הכוחות הקיימים בטבע מהווה את הבסיס להגדרה של מודל חדש – המודל הסטנדרטי.

האיור הבא מסכם חלוקה זו ואת כל מה שלמדנו עד כה,

המודל הסטנדרטי

בנוסף לחלקיקים אלו קיים, לפי המודל הסטנדרטי, לכל חלקיק חומר גם חלקיק ההופכי לו מבחינת המצב הקוונטי (כמו מטען חשמלי) והזהה לו מבחינת כל שאר התכונות (כמו גודל ומסה). חלקיק הופכי זה של חלקיק החומר נקרא אנטי-חומר.

למשל, כבר הכרנו קודם את האנטי-חלקיק של האלקטרון, הלוא הוא הפוזיטרון הזהה לאלקטרון בגודל ובמסה, אך הופכי לו בסימן המטען החשמלי. לאלקטרון מטען חשמלי שלילי בעוד שהפוזיטרון זהה לו בכל התכונות מלבד בכך שהוא נושא מטען חשמלי חיובי.

גם לקווארקים יש חלקיקים הופכיים הנקראים אנטי-קווארקים. מתוך שלשה מתאימה של אנטי-קווארקים ניתן להרכיב את ההופכי של הפרוטון – האנטי-פרוטון. גם לחלקיקי הנוטרינו יש חלקיקים הופכיים בשם אנטי-נוטרינו.

ניתן היה לצפות שביקום בעל מאפיינים סימטריים תהיה כמות זהה של חלקיקים ושל אנטי-חלקיקים. מסיבה שטרם ידועה הייתה נטייה בבריאת היקום לטובת החלקיקים, מה שאפשר את יצירת החומר ביקום. כיום לא ניתן כמעט למצוא בטבע אנטי-חלקיקים.

האנטי-חלקיק נעלם כאשר הוא נפגש בחלקיק החומר ההופכי לו. למשל, כאשר פוזיטרון ואלקטרון נפגשים הם נעלמים/מושמדים והאנרגיה והמסה שלהם מומרים ומופצים על-ידי פוטונים כקרינת גאמא. תהליך השמדה זה של חלקיק החומר על-ידי חלקיק האנטי-חומר ההופכי לו נקרא תהליך אנהילציה.

קיים גם תהליך ההפוך לתהליך האנהיליציה. כאשר פוטון נושא אנרגיה גבוהה מאוד הוא יכול להתפרק לזוג של חלקיק ואנטי-חלקיק. תהליך זה נקרא תהליך יצירת זוגות. כדי שתהליך יצירת זוגות יתרחש נדרש, כאמור, שלפוטון תהיה אנרגיה גבוהה מאוד. למשל, כדי שמהפוטון ייוצרו זוג של אלקטרון ופוזיטרון נדרש שכמות האנרגיה של הפוטון תהיה מעט גבוהה יותר מסך אנרגיית המנוחה של שני חלקיקים (סכום מסותיהם מוכפלת במהירות האור בריבוע). דרישת אנרגיה זו מציבה את הפוטון להיות בתחום קרינת הגאמא, אותה קרינה הנפלטת בתהליך ההופכי – תהליך האנהילציה.

תהליך יצירת הזוגות יכול ליצור גם זוג של קווארק ואנטי-קווארק מפוטון אנרגטי בודד או מגלואון אנרגטי בודד.

המודל הסטנדרטי הצליח לנבא בדיוק גבוה בעזרת הנוסחאות המסובכות שהוא כולל ושאינן מובאות כאן תוצאות אשר נמדדו בניסויים שינויים. יחד עם הצלחה זו, אשר אישרה את תוקפו במובן מסוים עדיין המודל הסטנדרטי רחוק מלהיות מושלם.

חיסרון בולט ראשון הקיים במודל הסטנדרטי, כפי שהוא מוגדר כיום, היא אי-יכולתו לשלב בתוכו את כוח-הכבידה. כוח-הכבידה הוא אמנם חלש מאוד יחסית לשאר שלושת הכוחות שכן מיוצגים במודל הסטנדרטי, ולכן ניתן להזניחו בחישובים, אך מודל שלם צריך שיכלול כמובן את כל ארבעת הכוחות שבטבע.

חיסרון נוסף שמציג המודל הסטנדרטי הוא באי-דיוקים בחישוביו ככל שעוסקים באנרגיות גבוהות יותר. בדומה לשלושת חוקי התנועה של ניוטון אשר תקפות וטובות לשימוש במהירויות הנמוכות משמעותית ממהירות האור, כך גם המודל הסטנדרטי מציג דיוק טוב עד שמגיעים לרמות אנרגיה גבוהות. כשם שתורת היחסות של איינשטיין פתרה בעיה זו במודול הניוטוני, כך יש לצפות לפתרון הבעיה גם במודל הסטנדרטי.

עוד חיסרון אחד הקיים במודל הסטנדרטי הוא חוסר התייחסותו כלל וכלל לחומר האפל הנמצא ביקום. המודל הסטנדרטי מתייחס רק לחומר המוכר לנו מחלקיקים, אך קיים בטבע סוג חומר אחר, שונה לגמרי, הנקרא "חומר אפל" ושנמצא בטבע בכמות גדולה יותר מהחומר ה"רגיל".

אז מה הלאה?

בינתיים נערך ניסיון למצוא את המודל השלם, זה אשר יכלול בתוכו את ארבעת הכוחות הקיימים בטבע ואשר יהיה תקף גם עבור אנרגיות גבוהות. למשל, מודל אחד שמוצע ועדיין נבדק כתחליף למודל הסטנדרטי הוא מודל המיתרים.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

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