נוסח השאלה המלא: מהו החלקיק "מוזרון" (strangelet) האם הוא קיים באמת ומה משמעותו במודל הסטנדארטי? האם הוא באמת יכול להיות בגודל מקרוסקופי?
כרגיל בשאלות על חלקיקים אלמנטריים נצטרך לעבור על קצת חומר רקע לפני שנגיע לתשובה, אבל לדעתי הנושא מעניין ושווה את המאמץ.
כל החומר שסביבנו מורכב מאטומים. אטום מורכב מגרעין עם מטען חשמלי חיובי ואלקטרונים עם מטען חשמלי שלילי. גרעין מורכב מפרוטונים עם מטען חשמלי חיובי ונויטרונים שהם נטרליים חשמלית. פרוטונים ונויטרונים מורכבים משני סוגים של קוורקים שנקראים up (מטען חשמלי 2/3+) ו-down (מטען חשמלי 1/3-). הפרוטון מורכב משני חלקיקי up וחלקיק אחד מסוג down. הנויטרון מורכב מחלקיק up אחד ומשני חלקיקי down. קל לוודא שהמטענים החשמליים מסתדרים. עד כמה שידוע לנו, הקוורקים up ו-down הם אלמנטריים, כלומר אינם מורכבים בעצמם מחלקיקים אחרים.
.jpg)
פרוטון (מימין) ונויטרון (שמאל) והקווארקים המרכיבים אותם (באדיבות ויקיפדיה).
בגרעין של האטום יש פרוטונים ונויטרונים. בין הפרוטונים יש דחייה חשמלית ובין פרוטון לנויטרון לא פועל כח חשמלי. כדי שהגרעין יישאר יציב, חייב להיות כח משיכה שייתגבר על הדחייה החשמלית בין הפרוטונים -- זהו הכח החזק. לקוורקים יש מטען של הכח החזק בנוסף למטען החשמלי, והכח החזק יוצר ביניהם משיכה שמחזיקה את הגרעין ביחד.
התאור בו הקוורקים מרכיבים פרוטונים ונויטרונים, ואלה בתורם מרכיבים את הגרעין אינו מובן מאליו. ניתן למשל להציע מודל בו כל הקוורקים מסוג up ו-down מתערבבים ביניהם בגרעין במעין דייסה, במקום להיות צמודים בשלשות בתור פרוטונים ונויטרונים.
מסתבר שמודל כזה לא מצליח להסביר תוצאות של ניסויים בפיסיקה גרעינית, והמודל שמתאר נכון יותר את החומר שסביבנו כולל קוורקים שמסתדרים בפרוטונים ונוירטונים. ועדיין, העובדה שאנו לא רואים סביבנו חומר שעשוי מדייסה כזו של קוורקים לא אומר שחומר כזה לא יכול להיווצר, או שנוצר כבר אבל פשוט לא נמצא על כדור הארץ. נזכור שבעבר הרחוק, בני אדם שחיו באזור חם ידעו שמים הם נוזל. הם לא ידעו שכשקר מספיק המים הופכים למוצק. אולי אם ניקח חומר רגיל ונפעיל עליו תנאים קיצוניים, למשל לחץ או טמפרטורה גבוהים מאד, הפרוטונים והנויטרונים שבו יתפרקו והקוורקים יתערבבו ביניהם וייצרו סוג חדש של חומר. סוג כזה של חומר נקרא quark matter.
למעשה, בזכות ניסויים אנו יודעים היום שכאשר מעלים מספיק את הטמפרטורה הפרוטונים והנויטרונים אכן נמסים, והקוורקים יוצרים דייסה שנקראת quark-gluon plasma. מעט אחרי המפץ הגדול, היקום היה בטמפרטורה חמה מספיק כדי שכל הקוורקים יהיו במצב זה של חומר. לאחר מכן היקום התקרר והקוורקים התחברו לפרוטונים ונויטרונים. מה שלא ידוע הוא האם קיימים סוגים אחרים של quark matter שמתקיימים בטמפרטורות נמוכות, האם ניתן לייצר אותם במעבדה, והאם קיים כבר חומר במצב כזה במקום כלשהו ביקום.
השערה מעניינת בכיוון הזה מערבת חלקיק אחד נוסף, ה-strange quark. זהו חלקיק אלמנטרי שזהה ל-down quark פרט לכך שהוא כבד מה-down פי 15 בערך, ושהשם שלו מוזר. באופן רגיל, חלקיקים מורכבים שמכילים את ה-strange (כמו שהפרוטון מכיל את ה-down וה-up) נוטים לדעוך לחלקיקים שמכילים רק up ו-down וזאת כיוון שה-strange כבד יותר. אך ייתכן שאם מערבבים כמות גדולה של קוורקים מסוג up, down, ו-strange ומפעילים תנאים קיצוניים כמו לחץ גבוה מקבלים חומר יציב שנקרא strange matter. הסיבה לכך שצריך הרבה קוורקים מסוג strange קשורה לעיקרון פאולי, אבל זה כבר מעבר להיקף הדיון.
strange matter עשוי להתקיים במספר צורות. השערה אחת היא שהליבה של כוכבי נויטרונים עשויה מ-strange matter, כיוון ששם שורר לחץ גבוה שעשוי להיות מספיק ליצירת סוג החומר הזה. הלחץ נובע מהגרביטציה שמושכת את החלק החיצוני של הכוכב פנימה, כך שהוא לוחץ על הליבה. אם ה-strange matter יציב גם בלחץ וטמפרטורה נמוכים, אז ייתכן שקיימים ביקום "חלקיקים" שנקראים strangelets, שהם למעשה טיפות של חומר שעשוי מ-down, up ו-strange. הם לא זקוקים ללחץ חיצוני כדי להשאר יציבים, והגודל שלהם עשוי לנוע בין גודל של גרעין אטום לבין מספר קילומטרים. ייתכן גם שניתן ליצור כאלה במאיצי חלקיקים על כדור הארץ.
הקוורקים up, down ו-strange הם חלק מהחלקיקים שמתוארים על-ידי המודל הסטנדרטי, אותו מודל שמפרט את כל החלקיקים האלמנטריים שמוכרים לנו ואת האינטראקציות ביניהם. שאר סוגי החומר שהזכרנו, כולל strangelets, הם לא חלקיקים אלמנטריים אלא חלקיקים שמורכבים מחלקיקים בסיסיים יותר. פרט לחומר אטומי (פרוטונים ונויטרונים) ולדייסה של קוורקים שמקבלים בטמפרטורה גבוהה, כל שאר סוגי החומר שהזכרנו כאן הם תאורטיים לחלוטין ומעולם לא ניצפו בניסיון.
מאת: גיא גור-ארי
המחלקה לחלקיקים אלמנטריים
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
