אינטרנט  |  ynet  |  בעלי מקצוע  |  קניות  |  ספקים למשרד

   חדשות תוכן ועדכונים 24 שעות - Ynet


דולטון. אטומים שמרכיבים מולקולות
דולטון. אטומים שמרכיבים מולקולות 
 
רת'רפורד. פרוטונים ואלקטרונים
רת'רפורד. פרוטונים ואלקטרונים 
 
צ'דוויק. הוסיף את הנייטרון
צ'דוויק. הוסיף את הנייטרון 
 
דירק. חומר ואנטי-חומר
דירק. חומר ואנטי-חומר 
 
 פורמט להדפסה  הדפס

ערכים קשורים
 דמוקריטוס מאבדרה
 אפיקורוס
 ג'ון דולטון
 אטום
 אלקטרון
 ג'וזף ג'ון תומסון
 ארנסט רת'רפורד
 גרעין האטום
 פרוטון
 מימן
 חשמל
 רדיואקטיביות
 אלקטרוסטטיקה
 תורת הקוונטים
 תורת היחסות
 נייטרון
 ג'יימס צ'דוויק
 קרינת גמא
 פוטון
 אור
 אלברט איינשטיין
 פוזיטרון
 פול אדריאן מוריס דירק
 אנטי-חומר
 מאיצי חלקיקים
 מגנטיות
 וולפגנג פאולי
 אנריקו פרמי
 חלקיק ביתא
 נייטרינו
 דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב
 אלקטרומגנטיות
 כבידה
 שדה
 אי-ודאות
 סטיבן ויינברג
 עבדוס סלאם
 שלדון לי גלשו
 בוזון היגס
 מסה
 תורת המיתרים
 תנע זוויתי
 יקום
 סימטריה
 פרמיונים
 בוזונים
 הדרון
 בריון
 לפטון
 מרי גל-מן
 יובל נאמן
 ג'יימס ג'ויס
 קוורקים
 צבע
 המפץ הגדול
 הליום
 אינסוף
 תא ערפל
 תא בועות
 מהירות האור
 ציקלוטרון
 סינכרוטרון
 פיסיקה
 חומר
 כוחות יסוד


תחומים קשורים
 פיסיקה


 
 
 

חלקיקים תת-אטומיים


Subatomic particles

אלקטרון, נייטרון, פרוטון |  רשימת החלקיקים מתארכת |  הכוחות הפועלים בין חלקיקים |  תכונות החלקיקים |  מיון |  קוורקים והדגם התקני |  ניסויים בחלקיקי יסוד

חלקיקים תת-אטומיים, בפיסיקה, אבני הבנייה של האטום, שהוא חלקיק היסוד של של החומר. יש להבדיל בין "חלקיקי יסוד" (חלקיקים אלמנטריים) לבין "חלקיקים תת-אטומיים": אלה האחרונים כוללים הן חלקיקי יסוד שאינם ניתנים לחלוקה (ככל הידוע לנו כיום) והן חלקיקים שהם אמנם קטנים מהאטום, אך בנויים מחלקיקים יסודיים יותר, כמתואר להלן. ערך זה עוסק בשני הסוגים גם יחד.

פיסיקת החלקיקים (הקרויה גם "פיסיקה של אנרגיות גבוהות", מסיבה שתובהר להלן) עוסקת בזיהוי החלקיקים התת-אטומיים, במיונם ובהבנת פעולות הגומלין ביניהם. פעולות גומלין אלה הן ארבעת כוחות היסוד של הטבע, ולמעשה חקר החלקיקים וחקר הכוחות הפועלים ביניהם הם שני פנים של אותו המטבע, משום שלצרכים רבים נוח לתאר את פעולות הגומלין בין שני חלקיקים כנישאות (מתוּוָכות) ע"י חלקיקים אחרים.

 

 

לרשימה המלאה - לחצו על הטבלה

 


אלקטרון, נייטרון, פרוטון

במאה הרביעית לפנה"ס טען דמוקריטוס כי אפשר להבין את החומר כמורכב מאבני בנייה יסודיות שאי-אפשר לחלקן ("אָטוֹמוֹס" ביוונית), ושתכונותיהן הן תכונות טבעיות מוחלטות. כ-100 שנה אחריו עדיין לימד אפיקורוס תורה זו, אך היא לא זכתה לתפוצה רבה עד תחילת המאה ה-19, לפי שהחומר נראה רציף לחלוטין בעיני החוקרים לדורותיהם, והאטומים מעולם לא נצפו במבודד. רק ב-1808 הציג דולטון תיאוריה שלפיה נוכל להבין את מגוון תכונות החומר אם נניח כי הוא בנוי מאטומים יסודיים. שני חומרים שונים נבדלים זה מזה בכך שאבני הבנייה שלהם, הקרויות כיום מולקולות (אם כי מושג זה עדיין לא היה קיים בימיו של דולטון), הן צירופים שונים של כמה אטומים יסודיים. גם דעה זו לא נתקבלה מיד על דעת רוב המדענים, משום שעדיין לא היתה אפשרות לצפות במישרין באטומים (או בעצם גם במולקולות), ועוד בתחילת המאה ה-20 היו פיסיקאים מכובדים שהתנגדו מכול וכול ל"השערה האטומית", ואילו אחרים גרסו כי אמנם היא עשויה להועיל כמטפורה, אבל אין היא עובדה ממשית של הטבע. אך בהדרגה נפוץ הרעיון האטומי בשלהי המאה ה-19, וחוקרים רבים פנו לבדוק את מבנה האטום.

לקראת סוף המאה ה-19 התגלה כי יש בטבע חלקיק שבעליל אינו מורכב מאטומים, משום שהוא קטן בהרבה מכל אטום. היה זה האלקטרון, שאותו גילה ג' ג' תומסון ב-1897. מיד אחר כך הוצע דגם למבנה האטום כמורכב משני חלקים: אלקטרונים שמטענם החשמלי שלילי, ויתרת האטום שמטענה חיובי. דגם זה תיאר את האטום כגוש יחיד של חומר שבתוכו משובצים האלקטרונים, "כמו צימוקים בעוגה". אך ב-1910 הראה רת'רפורד שרוב החומר באטום מרוכז בגרעין קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו, והוא מוקף באלקטרונים. כעבור כמה שנים גילה את הפרוטון, גרעין המימן. האטום של רת'רפורד היה בנוי איפוא מגרעין יציב של פרוטונים, מוקף במספר שווה של אלקטרונים, לאיזון המטען החשמלי הכולל של האטום.

בה בעת התנהל חקר הרדיואקטיביות, שנתגלתה בד בבד עם גילוי האלקטרון. החוקרים בתחום זה הוכיחו כי הגרעין אינו יציב תמיד. זאת ועוד, היה קושי בהסברת לכידותו של הגרעין, משום שבין הפרוטונים בעלי המטען החיובי חייב לפעול כוח דחייה אלקטרוסטטי. כלומר, היה ברור שיש לגרעין מבנה מסובך למדי, והחוקרים ביקשו דרכים להבהרתו. החתירה לפענוח מבנה הגרעין היתה כוח מניע חשוב בהתפתחותה של מכניקת הקוונטים, שהתגלתה כגישה המדעית המרכזית להסברתו - במיוחד אחרי ששולבו בה מרכיבים של תורת היחסות הפרטית של איינשטיין (אם כי מיזוג מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית עדיין נבצר מיכולתם של הפיסיקאים).

כעבור שנים, ב-1932, נתגלה הנייטרון חסר המטען החשמלי, במעבדתו של ג'יימס צ'דוויק באנגליה, ונמצא שהוא שוכן בגרעין האטום. בעקבות זאת עלתה ההצעה שהגרעין מורכב מנייטרונים ומפרוטונים. ההצעה נבדקה בניסויים רבים ונמצאה נכונה, וכך הושלמה הבנתו של מבנה החומר באמצעות שלושה חלקיקי יסוד: אלקטרון, נייטרון ופרוטון. אך עדיין לא הוסבר מדוע אין הפרוטונים דוחים אלה את אלה.
 

 


רשימת החלקיקים מתארכת

ועוד היה ברור שהתמונה אינה שלמה משום שכבר בתחילת המאה גילה רת'רפורד כי ההתפרקות הרדיואקטיבית כרוכה לעתים בפליטת קרני גמא מהגרעין, ולאחר זמן הוברר כי אלה עשויות חלקיקים - למען האמת, אלה הם הפוטונים, דהיינו חלקיקי האור, שכן איינשטיין הציג ב-1905 את האור כתופעה שאפשר לתארה כחלקיקית. זאת ועוד, ב-1932 - השנה שבה הושלמה לכאורה הרכבתה של מערכת חלקיקי היסוד - התגלה עוד חלקיק חדש, לא בחומר שעל פני הארץ אלא בקרינה קוסמית שמקורה מחוץ לכדור הארץ. התברר כי הוא זהה בכול לאלקטרון, להוציא את סימן המטען, שהוא חיובי (בניגוד לאלקטרון, שמטענו שלילי), ולכן כינוהו פוזיטרון. כבר ב-1928 חזה דירק את קיומו, משיקולים עיוניים, שעה שניסח משוואה קוונטית-יחסותית לאלקטרון.

זו היתה הדוגמה הראשונה לזוג חלקיקים שאחד מהם הוא אנטי-חלקיק של השני. ב-1955 גילו אמיליו סגרה ואוֹון צ'מברליין את האנטי-פרוטון במאיץ חלקיקים, ובהמשך הוברר כי לכל חלקיק יש אנטי-חלקיק הנבדל ממנו רק באחת מתכונותיו - מטען חשמלי הפוך בסימנו, או מומנט מגנטי הפוך בכיוונו.

היו שתיארו את התפתחותה של פיסיקת החלקיקים מאז ואילך כמשחק טניס שולחן בין התיאורטיקאים לבין הנסיינים: מקצת החלקיקים נתגלו תחילה במעבדה, ורק אחר כך הוברר מקומם בתיאוריה; אחרים נבעו מן התיאוריה, והנסיינים פנו לחפשם בניסוי. לדוגמה, ב-1931 טען פאולי, ובעקבותיו פרמי, כי אין להבין את קרינת ביתא (פליטת אלקטרון מגרעין) אלא אם מניחים את קיומו של חלקיק נוסף, שפרמי כינה אותו בשם נייטרינו, החלקיק הנייטרלי הקטנטן. גילויו במעבדה היה כרוך בקושי רב, משום שהוא כמעט חסר מסה, וחסר מטען מכול וכל. ואכן, רק ב-1956 הוא נתגלה בניסוי.

חקר הקרינה הקוסמית הביא לגילוי חלקיקים נוספים, שנקראו בשם המשותף מזונים: המוּאוֹנים בסוף שנות ה-30, הפִּיוֹנים והקָאוֹנים בשנות ה-40. אלה הם החלקיקים ה"תיכוניים", שמסתם בין מסת הנוקליאונים (שם משותף לפרוטונים ולנייטרונים) לבין מסת האלקטרון והפוזיטרון. פיתוח מאיצי החלקיקים, מאז תחילת שנות ה-50, אִפשר ניסויים שבהם נוצרים חלקיקים בתנאי מעבדה. חלקיקים אלה, כמו הפוזיטרון, המואונים והפיונים, אינם יציבים אלא מתפרקים בשברירי שנייה.

רשימת החלקיקים הלכה ותפחה, ולקראת שנות ה-60 החלו להתגלות חלקיקים קצרי חיים במיוחד. אלה נקראים "רֶזוֹנָנסים". התארכותה של רשימת החלקיקים הידועים הציגה בפני החוקרים תהיות רבות וקשות: רק למעטים מהם נמצא מקום בתופעות הטבע הידועות, ואילו מרביתם לא מילאו שום "תפקיד" גלוי במבנה החומר או בתהליכי האנרגיה. זאת ועוד, מיונם לקבוצות ושיבוצם בטבלה נוסח טבלת מנדלייב התגלו כקשים מן הצפוי. מסופר כי אנריקו פרמי העיר במרירות, "אילו ידעתי שכך יהיה, הייתי נעשה בוטנאי."

 

יתר על כן, בהדרגה אף הוברר, כאמור לעיל, כי אחדים מ"חלקיקי היסוד" לכאורה אינם יסודיים כלל, אלא בנויים מחלקיקים בסיסיים יותר. כלומר, יש להבחין בין חלקיקי יסוד ממש, לבין חלקיקים תת-אטומיים שאינם חלקיקי יסוד.

 

 


הכוחות הפועלים בין חלקיקים

התנהגותה של מערכת חלקיקים היא פועל יוצא של החלקיקים המצויים בה ושל הכוחות הפועלים עליהם. ארבעת הכוחות המוכרים למדע הם הכוח האלקטרומגנטי, שני כוחות גרעיניים (הכוח החזק והכוח החלש), שתחום השפעתם אינו חורג מתחומי הגרעין, וכוח הכבידה. כוחות אלה פועלים בין חלקיקים גם כשאין הם באים במגע. הפיסיקה נוהגת לתאר פעולת כוח ממרחק באמצעות מושג השדה, שהוא "מתווך" לצורך הפעלת הכוח. השדה האלקטרומגנטי, למשל, אחראי לכוח החשמלי. אולם בפיסיקה התת-אטומית יש טשטוש בין מושגי החלקיק והשדה. החלקיק אינו מיוצג כבעל מקום מוגדר (לאור עקרון האי-ודאות של תורת הקוונטים), וניתן לתארו כשדה. לכן אפשר לתאר את הכוח ע"י פעולת שדה, או לחילופין ע"י החלפת חלקיקים בין גופים; שני התיאורים שקולים זה לזה. לדוגמה: הפוטון הוא החלקיק המייצג את הכוח האלקטרומגנטי, וחלקיקים שכוח זה פועל ביניהם מתוארים כמחליפים פוטונים ביניהם לסירוגין.

לרשימת החלקיקים הארוכה, והמבלבלת בלאו הכי, יש להוסיף איפוא את חלקיקי הכוח: הפוטון הוא נַשָּׂא הכוח האלקטרומגנטי; הגרָוִויטון (שטרם נמצא בניסוי) נושא את הכבידה. אשר לכוח החזק, הגובר על הכוח האלקטרומגנטי שהיה אמור להביא לדחייה הדדית בין הפרוטונים בגרעין, ולכן הוא האחראי ללכידותו: ב-1935 הציע יוקווה את קיומו של חלקיק הנושא את הכוח החזק, ואף חישב את תכונותיו. לימים התברר כי הפיונים מתאימים לתיאורו של יוקווה. אולם בעקבות פיתוח התיאוריה הקוורקית (להלן), התברר כי הכוח החזק אינו אלא ביטוי של כוח יסודי יותר, האחראי לפעולות הגומלין בין הקוורקים. כוח זה קרוי "כוח הצבע", ונשאיו (שגם הם טרם נצפו במישרין) קרויים גלוּאוֹנים.

גם לכוח החלש, האחראי בין היתר להתפרקויות ביתא, יש חלקיקי כוח; אישור הניסוי לקיומם התקבל בשנות ה-80, לאחר שהציגו סטיבן ויינברג, עבדוס סאלם ושלדון גלשו תיאוריה הכורכת את הכוח האלקטרומגנטי ואת הכוח החלש יחדיו (הכוח האלקטרו-חלש), ומנבאת את קיומם של חלקיקי כוח נוספים; אלה נקראים "בוזונים וקטוריים בינוניים", או "בוזוני כיול", מספרם שלושה - +W- ,W ו-Z0 - והם נתגלו בניסוי זמן לא רב אחרי שהוצעו תיאורטית.

 

מלבד זאת מציע "הדגם התקני" (המודל הסטנדרטי) של מכניקת הקוונטים את קיומו של חלקיק שדה נוסף, חלקיק היגס שמו, האחראי למתן מסה לכל שאר חלקיקי היסוד. תורת המיתרים, השואפת להחליף את הדגם התקני כתיאוריית חלקיקי היסוד, אף מדברת על מספר חלקיקי היגס; אף לא אחד מהם נתגלה בניסוי, נכון לעכשיו (סוף 2008).

 

 


תכונות החלקיקים

כל חלקיק מאופיין בכמה וכמה תכונות פיסיקליות, ששמן המשותף הוא "מספרים קוונטיים". אחדות מהן מצויות גם בגופים מאקרוסקופיים, ובהן המסה, המייצגת את עוצמת השתתפות הגוף בתופעות כבידה ואת האנרגיה הטמונה בו, וכן המטען החשמלי, המייצג את עוצמת השתתפותו של הגוף בתופעות אלקטרומגנטיות. תכונות אחרות אפשר לראות כאנלוגיות לתכונותיהם של גופים מאקרוסקופיים; לדוגמה, הסְפִּין הוא תכונה שיש לחלקיקים רבים, ואפשר להמשילה (עד גבול מסוים) לתנע זוויתי. אבל תכונות אחרות אינן מקבילות אפילו במקורב לתכונות החומר הידועות לנו מחיי היומיום, כגון מטען בַּריוני ולפטוני, איזוספין, זוגיות, מוזרות, קסם ועוד. (בעשורים האחרונים החלו החוקרים בתחום זה להתנתק מהנוהג המסורתי, לתת למושגים מדעיים שמות יווניים ורומיים, והם בוחרים במלים משפת הדיבור הפשוטה, שמשמעותן כמובן שונה בתכלית מן המשמעות המקובלת.)

הפרוטון, האלקטרון, הנייטרינו והפוטון הם חלקיקים יציבים, עד כמה שהמדידות הראו לעת עתה (אמנם אחת התיאוריות הפיסיקליות שהוצעו בשנים האחרונות גורסת שהפרוטון דווקא אינו יציב, אבל משך החיים הממוצע שלו ארוך ביותר מ-30 סדרי גודל ממשך קיומו של היקום עד כה). שאר החלקיקים מתפרקים בתוך פרק זמן ממוצע אופייני, והופכים לחלקיקים אחרים. בעת ההתפרקות, כמו בכל תהליך אחר, משתמרים כמה גדלים. למשל, המטען החשמלי הכולל של מוצרי התהליך זהה לזה של מרכיביו ההתחלתיים, וכן לגבי האנרגיה, הספין ועוד. חוקי השימור הללו משקפים סימטריה עמוקה בהתנהגות חלקיקי היסוד, ובסימטריה זו טמון הסיכוי הטוב ביותר של החוקרים לרדת לעומקן של התופעות החלקיקיות.

 


מיון

כאמור, הגידול במספר החלקיקים עורר את הצורך במיונם, ונמצאו כמה דרכים לעשות זאת. ראשית חוכמה נחלקו החלקיקים לשתי משפחות גדולות, לפי הסטטיסטיקות המתארות את התנהגותם. הסטטיסטיקה של פרמי ודירק מתארת חלקיקים שרק אחד מהם יכול להימצא במצב אנרגיה נתון במערכת נתונה (לפי עקרון האיסור של פאולי), ואלה נקראים פֶרְמִיוֹנים. הסטטיסטיקה של בוז (Bose) ואיינשטיין מתארת את החלקיקים שעקרון האיסור אינו חל עליהם, והם נקראים בּוֹזוֹנים. נמצא כי ההבדל המשמעותי בין שתי הקבוצות משתקף במספר הקוונטי הקרוי ספין. היחידה הבסיסית של הספין היא ½, ולחלקיקים שונים מספר שונה של כפולות ½. לפרמיונים מספר אי-זוגי של כפולות ½, ואילו לבוזונים מספר זוגי, כלומר הספין שלהם הוא מספר שלם (או אפס).

חלוקה משמעותית אחרת של החלקיקים לקבוצות מתייחסת לכוחות הפועלים עליהם. ההַדְרוֹנים הם החלקיקים המושפעים ע"י הכוח החזק, ואילו הלֶפְּטוֹנים אינם חשים את השפעתו. (להַדְרוֹנים שמסתם עולה על מסת הנייטרון שם משותף, הִיפֶּרוֹנים, והם חלקיקים בלתי-יציבים ביותר.) אולם אין חפיפה בין חלוקה זו לבין החלוקה לפי סטטיסטיקות, שכן ההדרונים נחלקים לפרמיונים ולבוזונים; הראשונים נקראים בריונים, והאחרונים - מֶזוֹנים; הבַּרְיוֹנים הם חלקיקי החומר המוכר לנו. הלפטונים, לעומת זאת, הם כולם פרמיונים. לעומת זאת, יש בוזונים שאינם הדרונים ואינם לפטונים, והם החלקיקים הנושאים את הכוחות השונים: הפוטון, הגרוויטון (המשוער), הגלואון, נשאי הכוח האלקטרוחלש ולצדם חלקיק היגס, אם אמנם הוא קיים. אלה נקראים, לפי סוג הסימטריה האופייני להם, בשם "בוזוני כיול".

הפיסיקה התת-אטומית ניצבת איפוא בפני קשיים מרובים בהשלטת סדר ב"גן החיות" הזה של חלקיקים. אולם עובדת התקיימותם של חוקי שימור בהם העלתה על דעתם של חוקרים רבים את הרעיון שתכונות החלקיקים מצייתות לחוקים של סימטריה מתמטית. ב-1961 הציעו (בנפרד) מרי גל-מן ויובל נאמן כי סימטריה מסוימת מתחום תורת החבורות המתמטית, ששמה (SU(3, מאפשרת את ארגון ההדרונים במעין טבלה מחזורית תלת-ממדית, בשיטה שכונתה "דרך השמונה". בטבלה שהציעו נותר מקום פנוי, וכאשר נתגלה החלקיק המשתבץ במקום זה (אומגה-מינוס שמו) בניסוי, כעבור כמה שנים, היה זה אימות חשוב לתיאוריה. אבל גם כיום רחוק חקר חלקיקי היסוד מרחק רב מהשלטת סדר גמור בערבוביה. אדרבה, התיאוריות שהוצעו בעשורים האחרונים, בדרך לפיתוחה של תיאוריה מאוחדת גדולה של הפיסיקה, מחייבות את קיומם של חלקיקים במספר רב עוד יותר; אבל עד כה לא נתגלה בניסוי אף אחד מאותם "חלקיקים אקזוטיים".

 

 


קוורקים והדגם התקני

הצלחת "דרך השמונה" של גל-מן ונאמן עוררה את החשד כי ההדרונים אינם חלקיקי יסוד ממש, אלא אפשר לתארם כמורכבים מחלקיקים יסודיים יותר. החידוש בחלקיקים אלה, שאת קיומם הציעו בנפרד גל-מן וג'ורג' צווייג (Zweig) הוא שמטענם החשמלי אינו כפולה שלמה של מטען הפרוטון (כמו מטעניהם של כל החלקיקים הטעונים שהיו ידועים מן הניסוי באותה עת), אלא הוא שליש או שני שלישים ממטען זה. בשיטה זו, אפשר להציג את כל ההדרונים כבנויים מקבוצה מצומצמת למדי של חלקיקים בסיסיים; גל-מן נתן להם את השם הסתום "קוַורקים", מלה שמצא אצל ג'יימס ג'ויס.

גל-מן תיאר את הקוורקים כבעלי אחד משישה "טעמים" (flavors), שנקראים מעלה (up), מטה (down), קסום (charm), מוזר (strange), עליון (top) ותחתון (bottom). כל אחד מאלה יכול להיות בעל אחד משלושה מטענים הקרויים "צבעים" - אדום, ירוק או כחול. אין צורך לומר שמלים אלה הן שגיוניות בלבד. לכל קוורק בעל טעם נתון יש אנטי-קוורק שמטענו החשמלי בעל סימן הפוך, ולכל צבע נתון יש אנטי-צבע. כלומר, בסך הכול יש 18 קוורקים ו-18 אנטי-קוורקים. הכללים לשילובם יחדיו בהדרונים מביאים לכך שהצבע יהיה תמיד לבן (תערובת של כל "צבעי היסוד" במידות שוות), והמטען החשמלי יהיה תמיד 1 או 0.

בדרך זו, הקרויה כרומודינמיקה קוונטית (QCD), עלה בידי גל-מן להסביר היטב את מבנה הנוקליאונים והמזונים באמצעות ההשערה הקוורקית, אבל עלה מן התיאוריה שלו כי אין שום אפשרות לבודד קוורק יחיד ולצפות בו במישרין. ההסבר לכך הוא כוח המשיכה הפועל בין קוורקים. זהו כוח הצבע, בסיסו של הכוח הגרעיני החזק, שנשאיו נקראים גלואונים, ולהם 8 סוגים שונים. אין להם מטען חשמלי, אבל יש להם "מטען צבע". טווח פעולתו של הכוח הקשור במטען זה קצר מאוד, אך בטווח זה, השקעת האנרגיה הדרושה כדי לנתק את הקשר גדולה עד כדי כך שעם ניתוקו, הופכת האנרגיה לקוורקים חדשים, שהקשרים ביניהם איתנים כתמיד.

הלפטונים אינם נכללים בתמונה הקוורקית כלל, ולכן חלקיקי היסוד הידועים לנו כיום הם קוורקים ולפטונים, לצד בוזוני הכיול. ולכל אחד מהחלקיקים הללו יש אנטי-חלקיק. גם האנטי-חלקיקים עשויים להשתלב ליצירת חומר, הקרוי כמובן אנטי-חומר. וכן, האנטי-פרוטון והאנטי-נייטרון, הבנויים מהאנטי-קוורקים של הקוורקים הבונים את הפרוטון ואת הנייטרון, יוצרים את גרעינו של אטום אנטי-חומר, המוקף בפוזיטרונים (אנטי-אלקטרונים).

 

תמונתה של פיסיקת החלקיקים כפי שתוארה עד כאן קרויה בשם "הדגם התקני", ואחת מתכונותיה המסקרנות היא חלוקתה לשלושה "דורות": יש שלוש קבוצות במשפחת הלפטונים: אלקטרון, מואון וטאואון, עם הנייטרינים הנלווים לכל אחד מהם; ויש שלוש קבוצות במשפחת הקוורקים: מעלה ומטה, מוזר וקסום, עליון ותחתון. בשני המקרים, המסה עולה מדור לדור: הטאואון כבד מהמואון, שכבד מהאלקטרון; והקוורקים העליון והתחתון כבדים מהמוזר והקסום, שכבדים מקוורקי מעלה ומטה. ובכן, די בחלקיקי הדור הראשון משתי המשפחות (ובבוזוני הכיול) כדי להסביר את כל התופעות החומריות שאנו נתקלים בהן מחוץ למעבדות האנרגיה הגבוהה ולדגמי המפץ הגדול.

 

מדוע קיימים עוד שני דורות? ומדוע לא יותר משלושה? על השאלה האחרונה משיבה האסטרופיסיקה כי אילו היה בנמצא דור רביעי של חלקיקים, המפץ הגדול היה מתנהל בדרך אחרת מכפי שהתנהל בפועל, ובין השאר, שכיחותו של היסוד הליום ביקום היתה שונה מן הערך הידוע לנו (מעט פחות מ-25%). בדרך זו "סוגרת" האסטרופיסיקה את פיסיקת החלקיקים. ובכל זאת, שאלת קיומם של שני דורות חלקיקים שתפקידיהם אינם ברורים, ועוד שאלות עמוקות, מלמדות כי הדגם התקני בשום פנים אינו מושלם, ועוד נותרה כברת דרך רבה בטרם תיישב הפיסיקה את השאלות שמציגים לפניה חלקיקי היסוד.

 

אחת הבעיות הקשות שנתקלה בהן הפיסיקה של חלקיקי היסוד נובעת מהתיאור המקובל של חלקיקים כנקודתיים, כלומר חסרי ממדים מרחביים; ערכי אפס לממדים מכניסים בהכרח למשוואות ערכי אינסוף, שהמתמטיקה מתקשה לטפל בהם. כמוצא מן הסבך הוצע תיאור החלקיקים כמיתרים חד-ממדיים, כלומר בעלי אורך ממשי. תורת המיתרים מספקת מענה לרבות מהבעיות הקיימות בדגם התקני, אך בה בעת מעוררת בעיות חדשות וקשות; בין היתר, בגרסתה המתקדמת הקרויה "תורת העל-מיתרים," היא מחייבת את הכפלתו של מספר החלקיקים הגדול והמבלבל בלאו הכי. פיסיקאים רבים מאמינים כי תורת העל-מיתרים תספק בסופו של דבר מוצא מהסבך, אבל רבים אחרים מתקשים לתת בה אמון.

 

 


ניסויים בחלקיקי יסוד

כאמור, חקר החלקיקים התקדם מראשיתו כמשחק טניס שולחן בין אנשי התיאוריה ואנשי הניסוי: אם הראשונים קבעו כי חלקיק מסוים חייב להתקיים (אומגה-מינוס למשל), ניטל על האחרונים למצוא אותו בפועל כדי להוכיח את צדקתם; ואם האחרונים מצאו חלקיק חדש בניסוי (למשל המזונים הראשונים שנתגלו), היה על הראשונים לשבצו במסגרת התיאורטית. הדברים התנהלו כשורה עד לעשורים האחרונים של המאה העשרים, שאז החלה התיאוריה לדרוש ניסויים במכשירים שאינם עומדים לרשות הנסיינים.

הטיפול בחלקיקים זעירים שזמן חייהם קצר, והתנאים הקיצוניים הנדרשים כדי לייצר חלקיקים כאלה, מצריכים מכשור מתוחכם במיוחד. אחר מסלולי החלקיקים עוקבים ב
תא ערפל או בתא בועות, ובאמצעות גלאים ומונים שונים. אולם תחילה יש לחלץ את החלקיקים הללו ממקומות הימצאם, גרעיני האטום למשל, ודבר זה כרוך תמיד בהשקעה רבה של אנרגיה (זו הסיבה לכך שתחום זה של הפיסיקה נקרא גם "פיסיקת האנרגיות הגבוהות"). במקרים אחדים רוכשים חלקיקים את האנרגיה שלהם מן הקרינה הקוסמית, אך לרוב יש לחולל אותה במעבדה. זאת ועוד, משך קיומם של חלקיקים רבים הוא קצר במידה שהיתה מונעת את עצם גילוים, אלמלא תוצא התרחבות הזמן הנובע מתורת היחסות הפרטית. במהירויות קרובות למהירות האור מתארך משך חייהם של חלקיקים אלה, במידה המאפשרת את הצפייה בהם.

לצורך זה משתמשים במאיץ חלקיקים קווי (לינארי) או מעגלי (ציקלוטרון או סינכרוטרון). למאיצים מעגליים שבהם מואצות שתי אלומות חלקיקים זו לקראת זו יתרון גדול, מסיבות הנובעות מתורת היחסות.

כיום ניצבים אנשי הניסוי, ועמם בהכרח אנשי התיאוריה, בפני בעיה קשה. המשך התקדמותו של חקר החלקיקים בדרכי הניסוי, לקראת פיתוחה של תיאוריה מאוחדת גדולה של הפיסיקה - למשל, גילוי אחדים מהחלקיקים האקזוטיים הנובעים מתורת המיתרים, שיספק אימות לתיאוריה זו - מחייב את בנייתם של מאיצי חלקיקים ענקיים ויקרים מאוד (מדובר בהשקעת מיליארדים רבים של דולרים). בעיית המשך התקדמותה של הפיסיקה היא איפוא בעיה פוליטית, בראש ובראשונה - שכנוע הממונים על חוקי התקציב בארה"ב ובאירופה כי ראוי להשקיע כספים כאלה בקידום המדע.

 

 





חזרה לעמוד הקודם
חזרה לעמוד הראשי של האנציקלופדיה

חדשות
דעות
כלכלה
ספורט
צרכנות
תרבות ובידור
רכילות Pplus
מחשבים
בריאות
ירוק
יהדות
תיירות
רכב
אוכל
יחסים
סרטים
הוט
כלכליסט
משחקים
מקומי
לימודים
מדע
לאישה
דרושים
ynet-shops
ynettours
winwin
בעלי מקצוע
ביגדיל
 

אודות ועזרה
כתבו אלינו
עזרה
מדיניות פרטיות
תנאי שימוש
מפת האתר
ארכיון
מרכזי המבקרים
Israel News
 
אודות האתר
RSS
הפוך לדף הבית
ניוזלטרים
פרסמו אצלנו
אנציקלופדיה
באבלס
ערוצי תוכן
חדשות
כלכלה
ספורט
תרבות
בריאות
מחשבים
נופש
Xnet
Yschool
יהדות
דעות
צרכנות
תיירות
אוכל
רכב
בעלי חיים
שופינג לאשה
כיכר השבת
יחסים
אסטרולוגיה
מעורבות
ירוק
לאשה
דילים
ynetArt
kick
כלכליסט
בלייזר
רכילות Pplus
מנטה
משחקים
mynet
מפות
פרוגי
כלים ושירותים
קניות
מניות
דרושים
מחירון רכב
דירות להשכרה
קופונים
זיכרונט
ידיעות בתי ספר
ידיעות אחרונות
דירות למכירה
לוח רכב
יד שניה
בעלי מקצוע
משחקים Games
עברית
דירות חדשות


YIT  - פיתוח אינטרנט ואפליקציותApplication delivery by radwarePowered by Akamaiהאתר פועל ברישיון אקו"םהאתר פועל ברישיון תל"יאקטיב טרייל
-nc  כל הזכויות שמורות לידיעות אינטרנט ©