מנין מקבלים הפרוטונים והניטרונים את המסה והספין שלהם? למרבה הפלא, איננו יודעים. מתקן ניסוי חדש מבטיח להציץ לתוככי החלקיקים הללו בחיפוש אחר תשובות

בקיצור

  • מנין מקבלים הפרוטונים והניטרונים את המסה והספין שלהם? למרבה הפלא, המדענים לא באמת יודעים.
  • בדרך כלשהי מרכיבי החלקיקים האלו – קווארקים וגלואונים – משתלבים אלו באלו ביחסי גומלין סבוכים שמהם נובעות התכונות של פרוטונים וניטרונים.
  • כדי להבין איך זה קורה, הפיזיקאים רוצים לבנות מאיץ אלקטרונים-יונים שיטיח אלקטרונים בפרוטונים ובגרעיני אטומים, במטרה להעניק לנו תמונות תלת-ממדיות של תוככי הגרעין.

אנו מעריכים כי ביקום הנראה יש כ-1053 ק"ג של חומר רגיל, רובו בדמות כ-1080 פרוטונים וניטרונים, שמרכיבים – יחד עם אלקטרונים – את האטומים. אולם מנין מגיעה המסה של הפרוטונים והניטרונים?

מתברר שהתשובה אינה פשוטה. פרוטונים וניטרונים עשויים מחלקיקים המכונים קווארקים ומחלקיקים קושרים המכונים גלואונים. לגלואונים אין מסה, וסכום המסות של הקווארקים שבתוך הפרוטונים והניטרונים (הקרויים יחד "נוקלאונים") כולל כשני אחוזים בלבד מהמסה הכוללת של הנוקלאונים. אז מנין מגיעה שארית המסה?

זו אינה התעלומה היחידה האופפת את רכיבי האטום היסודיים האלו. הספין של הנוקלאונים מציב בפנינו חידה דומה – איננו יכולים להסביר את קיומו בהתבסס על הספינים של הקווארקים שבתוכם. המדענים סבורים כיום שהספין, המסה ותכונות אחרות של נוקלאונים נובעות מיחסי הגומלין הסבוכים בין הקווארקים והגלואונים שבתוכם. אולם לא ידוע איך בדיוק זה קורה. התיאוריה אינה יכולה לספק הסברים מעבר לכך, מכיוון שיחסי הגומלין בין קווארקים וגלואונים מוכתבים על ידי תיאוריה הקרויה כרומודינמיקה קוונטית (QCD), שהחישובים שלה קשים להחריד.

כדי להתקדם אנחנו זקוקים לנתוני ניסוי. כאן עולה על הבמה מאיץ האלקטרונים-יונים (Electron-Ion Collider, או EIC). בשונה ממרסקי אטומים אחרים, כמו מאיץ ההדרונים הגדול של מעבדת CERN ליד ז'נווה או מאיץ היונים הכבדים היחסותיים (RHIC) בארצות הברית, שמטיחים זה בזה חלקיקים מורכבים כמו פרוטונים ויונים, ה-EIC עתיד להטיח פרוטונים וניטרונים באלקטרונים. לאלקטרונים אין מבנה פנימי והם הפכו למעין מיקרוסקופ שיכול להציץ לתוך החלקיקים המורכבים.

ה-EIC ניצב קרוב לראש סדר העדיפויות של קהילת מדעני הגרעין בארצות הברית, וכנראה הוא אכן יוקם באחת משתי מעבדות אמריקאיות לפיזיקה – המעבדה הלאומית ברוקהייבן שבלונג איילנד או מתקן המאיץ הלאומי ע"ש תומס ג'פרסון (מעבדת ג'פרסון) בניופורט ניוז שבווירג'יניה. אם תאושר בניית המאיץ, הוא יתחיל לאסוף נתונים בסביבות שנת 2030.

המכונה הזאת תוכל לראות איך הספינים והמסות הנבדלים של הקווארקים והגלואונים, בצירוף האנרגיה של תנועתם הקיבוצית, מצטרפים אלה לאלה ויוצרים את הספין והמסה של הפרוטונים והניטרונים. היא אמורה לענות גם על שאלות אחרות, למשל האם הקווארקים והגלואונים מתאגדים לגוש או מפוזרים בתוך הנוקלאונים, באיזו מהירות הם נעים ואיזה תפקיד ממלאים יחסי הגומלין האלה בקשירת הנוקלאונים זה לזה בתוך הגרעין. המדידות שייערכו ב-EIC יספקו לנו אוצר בלום של מידע חדש בנוגע לאופן שבו מרכיבי יסוד של חומר מנהלים יחסי גומלין זה עם זה ויוצרים כך את היקום הנראה. חמישים שנה לאחר גילוי הקווארק, אנחנו סוף סוף עומדים לפענח את מסתוריו.

תופעות מתהוות

מדענים מבינים לא רע איך עצמים עשויים מאטומים וכיצד מאפייניהם נובעים מהמאפיינים של האטומים שבתוכם. אכן, חלק משמעותי מחיינו המודרניים תלוי בידע שלנו על אטומים, אלקטרונים ואלקטרומגנטיות – הידע הזה הוא מה שמניע את המכוניות שלנו ומפעיל את הטלפונים החכמים שלנו. מדוע אפוא אנחנו לא מבינים איך קווארקים וגלואונים יוצרים נוקלאונים?

ראשית, נוקלאונים קטנים לפחות פי 10,000 מאטום, כך שאין דרך פשוטה לחקור אותם. יתרה מזאת, מאפייני הנוקלאונים נובעים מההתנהגות הקיבוצית של קווארקים וגלואונים. למעשה, הם "תופעה מתהווה", כלומר תוצר פעולתם של הרבה שחקנים מורכבים שיחסי הגומלין ביניהם סבוכים מכדי שנוכל להבין אותן במלואן נכון לעכשיו.

מגנטי דיפול כחולים עוזרים לכוון את אלומות האלקטרונים ב-CEBAF | צילום: Floto+Warner

התיאוריה השולטת ביחסי הגומלין הללו, שנקראת כרומודינמיקה קוונטית, פותחה בשלהי שנות ה-60 ובתחילת שנות ה-70. היא חלק מהתיאוריה הרחבה יותר של פיזיקת החלקיקים הקרויה "המודל הסטנדרטי", שמתאר את הכוחות הידועים של היקום (פרט לכבידה). ממש כפי שהכוח האלקטרומגנטי שבין חלקיקים טעונים חשמלית נישא בידי פוטונים, או חלקיקי אור, כך מלמדת אותנו התיאוריה שהכוח החזק – זה ששומר על גרעין האטום שלם – נישא בידי גלואונים. ה"מטען" הכרוך בכוח החזק קרוי "צבע" (ומכאן השם "כרומודינמיקה", שכן "כרומה" ביוונית היא "צבע").

קווארקים נושאים מטען צבע ומנהלים יחסי גומלין זה עם זה על ידי חילופי גלואונים. אולם בשונה מאלקטרומגנטיות, שבה לפוטונים עצמם אין מטען חשמלי, הגלואונים כן נושאים צבע. לפיכך, גלואונים מנהלים יחסי גומלין עם גלואונים אחרים על ידי חילופי גלואונים נוספים. להבדל הקל הזה יש השלכות עמוקות. לולאות המשוב של יחסי הגומלין הללו הן הסיבה לכך שלעיתים קרובות מסובך מדי לחשב את הכרומודינמיקה הקוונטית.

הכרומודינמיקה הקוונטית נבדלת מתיאוריות מוכרות יותר גם בכך שהכוח החזק נחלש ככל שהקווארקים מתקרבים זה לזה. (באלקטרומגנטיות המצב הפוך לגמרי והכוח נחלש ככל שהחלקיקים הטעונים מתרחקים זה מזה). במרחקים קטנים מספיק בתוך הגרעין, הקווארקים מרגישים כל כך מעט כוח עד שהם מתנהגים כאילו הם חופשיים. בזכות גילוי התוצאה המוזרה הזו של ה-QCD קיבלו הפיזיקאים דיוויד גרוס (Gross), ה' דיוויד פוליצר (Politzer) ופרנק וילצ'ק (Wilczek) את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2004.

כשקווארקים מתרחקים זה מזה, הכוח ביניהם גדל במהירות ובסופו של דבר נהיה חזק מספיק "לתחום" את הקווארקים – ולכן לא תמצאו לעולם קווארק או גלואון מחוץ לפרוטון או לניטרון. המדענים יכולים לחשב אינטראקציות של כרומודינמיקה קוונטית כל עוד הקווארקים קרובים זה לזה ומנהלים יחסי גומלין חלשים זה עם זה. אולם כאשר הם מתרחקים זה מזה – במרחקים קרובים לרדיוס הפרוטון – הכוח נהיה חזק מדי, והתיאוריה נעשית מסובכת מדי ולא שימושית.

כדי להבין טוב יותר את הממלכה הקוונטית של הכוח החזק, אנחנו זקוקים לעוד מידע. השליטה שלנו בממלכה האטומית, למשל, הגיעה לא רק מתוך ההבנה שצברנו על האטומים ויחסי הגומלין ביניהם – היא הגיעה מתוך יכולתנו לתפוס את התופעות המתהוות, שנארגות מעל אבני הבניין היסודיות הללו. לא יכולנו לבנות ביולוגיה מולקולרית מהידע שלנו על יסודותיה – אטומים ואלקטרומגנטיות. רגע ה"אאוריקה" הגיע כשחוקרים גילו את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. כדי להצליח להתקדם בעולם הקווארקים והגלואונים עלינו להציץ לתוככי הגרעין.

"לראות" אטומים

בראשית המאה ה-20 גילו פיזיקאים איך "לראות" אטומים באמצעות תהליך הקרוי עקיפה של קרני רנטגן. כשהקרינו אלומת קרני רנטגן על דגימה ובחנו את דפוס ההתאבכות המתקבל כשהקרניים חולפות דרך החומר, הם הצליחו לראות את המבנה האטומי של הגביש. הטכנולוגיה הזו פועלת מכיוון שאורך הגל של קרני הרנטגן דומה לגודל האטום, וכך אנו יכולים לחקור את המרחקים בין האטומים, שסדר הגודל שלהם הוא ננומטרים בודדים (מיליארדיות המטר). באותו אופן פיזיקאים "ראו" לראשונה קווארקים לפני 50 שנה בניסוי שבו התנגשו אלקטרונים ופרוטונים, בתהליך המכונה פיזור עמוק לא אלסטי (Deep Inelastic Scattering, או DIS).

בשיטה הזאת, אלקטרון ניתז מפרוטון (או מניטרון, או מגרעין) ומחליף איתו פוטון וירטואלי. פוטון וירטואלי הוא לא פוטון אמיתי – הוא נוצר משום מקום ונעלם בחזרה במהירות, בהשפעת מכניקת הקוונטים השולטת ביחסי הגומלין בין חלקיקים. מדידה קפדנית של האנרגיה של האלקטרון והזווית שלו כשהוא נרתע לאחור מספקת לנו מידע על העצם שבו הוא פגע.

מאיץ היונים הכבדים היחסותיים (RHIC) | צילום: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

אורך הגל של הפוטון הווירטואלי בניסויי DIS הוא בסדר גודל פמטומטרי (10-15 מטרים) – בדומה לקוטר הפרוטון. ככל שאנרגיית ההתנגשות גבוהה יותר, כך אורך הגל של הפוטון הווירטואלי קצר יותר, והגשושית שלנו מדויקת יותר וממוקמת טוב יותר. אם אורך הגל קטן דיו, האלקטרון יינתז למעשה מאחד הקווארקים שבתוך הפרוטון (ולא מהפרוטון השלם), ויספק לנו הצצה לתוך המבנה הפנימי של החלקיק.

ניסוי ה-DIS הראשון היה פרויקט SLAC-MIT שנערך במתקן שנקרא אז מרכז המאיץ הלינארי של סטנפורד (SLAC). בשנת 1968 העניקה לנו השיטה הזאת את הראיה הראשונה לקיומם של קווארקים – תגלית שזיכתה את מובילי הניסוי בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1990. בניסויים דומים התגלה שקווארקים בתוך פרוטונים וניטרונים חופשיים מתנהגים בצורה שונה מאד מקווארקים בתוך גרעינים. יתרה מזאת, בניסויים האלה התגלה שהספין של הפרוטון והניטרון אינו צומח מתוך הספינים של הקווארקים המרכיבים אותם, בניגוד למה שהמדענים ציפו לראות. הממצא הזה התגלה לראשונה בפרוטונים וכונה בהתחלה "משבר ספין הפרוטון".

מאיץ ה-DIS הראשון, שבו הואצו גם אלקטרונים וגם פרוטונים לפני שהוטחו אלה באלה, היה מאיץ ההדרונים-אלקטרונים הטבעתי (Hadron-Electron Ring Accelerator, או HERA), בסינכרוטרון האלקטרונים הגרמני (DESY) במרכז המחקר של המבורג, שפעל בין שנת 1992 ל-2007. ניסויי HERA הראו שמה שחשבנו שלא היה אלא תצורה פשוטה של שלושה קווארקים בתוך כל פרוטון וניטרון, יכול למעשה להפוך למרק חלקיקים שבו המוני קווארקים וגלואונים צצים ונעלמים ללא הרף. HERA קידם מאוד את יכולתנו להבין את מבנה הנוקלאונים, אולם לא היה יכול לפתור את משבר הספין, ולא היה מצויד באלומות החלקיקים הדרושות לחקר התנהגות של קווארקים וגלואונים בתוך הגרעין.

אחד הגורמים שמסבכים את כל התצפיות בקנה המידה הזה הוא המוזרות של מכניקת הקוונטים. החוקים האלה מתארים חלקיקים תת-אטומיים בתור עננות של הסתברות: הם אינם קיימים במצבים מסוימים ובמקומות וזמנים מסוימים. במקום זאת עלינו לחשוב על קווארקים כאילו הם קיימים באינסוף תצורות קוונטיות בעת ובעונה אחת.

יתרה מזאת, עלינו להביא בחשבון את תופעת השזירה, גם היא מבית היוצר של מכניקת הקוונטים, שבה שני חלקיקים יכולים להיקשר זה לזה כך שגורלותיהם שזורים זה בזה אפילו אחרי שהם נפרדים. השזירה עלולה להציב בעיה יסודית בפני מי שמנסה לצפות בקנה המידה הגרעיני, מכיוון שהקווארקים והגלואונים שאנחנו מעוניינים לצפות בהם עלולים להישזר עם כל גשושית שנשתמש בה כדי להתבונן בהם – במקרה של DIS, הגשושית היא הפוטון הווירטואלי. נראה בלתי אפשרי להגדיר למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו מדברים על מבנה גרעיני, אם מה שאנחנו מגלים תלוי באופן שבו אנחנו מודדים אותו.

למרבה המזל, בשנות ה-70 של המאה הקודמת הכרומודינמיקה הקוונטית כבר התקדמה מספיק כדי שהמדענים יוכלו להבין שאפשר להפריד בין הגשושית למטרה בניסויי DIS – מצב שנקרא פקטוריזציה. באנרגיות גבוהות מספיק המדענים יכולים למעשה להתעלם מתוצאי השזירה הקוונטית בתנאים מסוימים – במידה מספקת כדי שיוכלו לתאר את מבנה הפרוטון בממד אחד. משמעות הדבר היא שהם יכלו לחלץ מניסויי DIS מדידה של ההסתברות לכך שכל קווארק נתון בפרוטון תורם נתח מסוים מהתנע של הפרוטון קדימה.

התקדמויות תיאורטיות שהושגו לאחרונה אפשרו לנו להתקדם עוד ולתאר את המבנה הפנימי של נוקלאונים ביותר מממד אחד – לא רק כמה הקווארקים והגלואונים תורמים לתנע של הנוקלאון קדימה, אלא גם כמה הם נעים מצד לצד בתוך הגרעין.

אבל את הצעד האמיתי הלאה יביא ה-EIC.

מאיץ אלקטרונים-יונים

ה-EIC יכין מפה תלת-ממדית של נוקלאון מבפנים. אנו מצפים שהמאיץ יספק לנו מדידות של המיקומים והתנעים של קווארקים וגלואונים ואת גודל התרומה של כל אחד מהם למסה ולספין הכוללים של הגרעין.

הגורם העיקרי שבו ה-EIC עולה על ניסויי ה-DIS שקדמו לו הוא הבהירות שלו: הוא עתיד להפיק פי 100 עד 1,000 יותר התנגשויות לדקה מאשר HERA, לדוגמה. בנוסף, האנרגיות הגבוהות של האלומות המתנגשות ב-EIC ייצרו תמונה חדה עד כדי כך שנוכל לזהות בה מרחקים שאינם עולים על כמה מאיות מקוטר הפרוטון, ויאפשרו לנו לחקור את האזורים שבהם יש מספר רב של קווארקים וגלואונים שכל אחד מהם נושא בערך 0.01 אחוזים מהתנע של הפרוטון קדימה.

גשושית לתוך הגרעין
פיזור עמוק לא-אלסטי (DIS) הוא טכניקה שמאפשרת לחקור גרעיני אטומים על ידי כך שמטיחים בהם אלומת אלקטרונים במהירות גבוהה. קיימת תוכנית לבנות מתקן DIS חדש בשם מאיץ אלקטרונים-יונים (EIC), באחת מבין שתי מעבדות אמריקאיות. המתקן יספק לנו תמונות תלת-ממדיות מבפנים של הפרוטונים, הניטרונים וגרעיני האטומים. בעזרת ה-EIC המדענים מקווים לפתור את התעלומה מנין מגיעים המסה והספין של הפרוטונים והניטרונים – שכן אי אפשר להסביר אף אחת משתי התכונות הללו על ידי חיבור פשוט של המסות והספינים של הקווארקים והגלואונים המרכיבים אותם. החוקרים מעוניינים גם להבין איך יחסי הגומלין בין פרוטונים וניטרונים צומחים מתוך הקווארקים והגלואונים.

איורים: בן גילילנד

ה-EIC יאפשר לנו גם לשלוט בכיוון הספין של החלקיקים באלומות שלו, כדי שנוכל לחקור איך צומח ספין הפרוטון מתוך אינטראקציות הכרומודינמיקה הקוונטית של הקווארקים והגלואונים. לאחר שנשלב את מדידות ה-EIC במסגרת התיאורטית המודרנית שלנו, הן יאפשרו לנו ליצור תמונה תלת-ממדית אמיתית של מבנה הפרוטון מקווארקים וגלואונים.

יש לנו שאלות רבות שאנחנו מקווים לחקור: לדוגמה, האם מרכיבי הפרוטון מפוזרים בתוכו בצורה אחידה, או שהם מתאגדים לגוש? האם חלק מהמרכיבים תורמים יותר מאחרים למסה ולספין של החלקיק? ואיזה תפקיד ממלאים קווארקים וגלואונים בקשירת הפרוטונים והניטרונים אלה לאלה ליצירת גרעיני אטומים? רק לאחרונה התחלנו לנסות למצוא תשובות לתהיות הללו ברמה הפמטומטרית במתקנים הקיימים. ה-EIC הוא המכונה הראשונה שתוביל אותנו לתשובות מלאות.

אחד החורים הגדולים ביותר בתמונה של מבנה הנוקלאון שבידינו הוא השאלה מה קורה כשאנחנו מתבוננים בחלקיקים הללו באמצעות גשושית עדינה ביותר ובקני מידה קטנים מאוד. כאן מתחילים להתרחש דברים מוזרים. תיאוריית הכרומודינמיקה הקוונטית חוזה שככל שהאנרגיה של הגשושית שלכם גבוהה יותר, כך תמצאו יותר ויותר גלואונים. קווארקים יכולים להקרין גלואונים, והגלואונים האלו מקרינים בתורם גלואונים נוספים ומחוללים תגובת שרשרת. גם אם זה נשמע מוזר, מה שיוצר את קרינת הגלואונים הזאת אינו פעולת המדידה, אלא המוזרות של מכניקת הקוונטים שמלמדת אותנו שקרביו של הפרוטון נראים אחרת ככל שמסתכלים יותר מקרוב – פשוט יש יותר גלואונים.

אולם אנחנו יודעים שלא ייתכן שזה כל הפתרון, כי אם כן אזי משמעות הדבר היא שהחומר גדל ללא גבול – במילים אחרות, יהיה באטומים מספר אינסופי של גלואונים ככל שתסתכלו בהם יותר מקרוב. מאיצים קודמים, כולל HERA, גילו ראיות למצב "רוויה", שבו פשוט אין בפרוטון מקום לגלואונים נוספים וחלקם מתחילים להתחבר מחדש, בתהליך שמקזז את הגידול. הפיזיקאים מעולם לא זיהו רוויה באופן חד-משמעי, ואנחנו לא יודעים מהו הסף שמעבר לו היא מתרחשת.

חלק מהחישובים מעלים את האפשרות שרוויית גלואונים יוצרת מצב צבירה חדש של החומר: "עיבוי זכוכיתי צבעי" בעל תכונות מדהימות. לדוגמה, צפיפות האנרגיה של הגלואונים עשויה להגיע לשיעור חסר תקדים – פי 50 עד פי 100 מצפיפות האנרגיה שבתוך כוכבי ניטרונים. כדי להגיע לאזורים שצפיפות הגלואונים בהם היא הגבוהה ביותר האפשרית, ה-EIC ישתמש בגרעינים כבדים במקום בפרוטונים, במטרה לזהות את התופעה המרהיבה הזאת ולחקור אותה לעומקה.

לבנות את ה-EIC

התוכניות למאיץ החדש זכו לתמיכה משמעותית מוועדת התכנון לטווח ארוך של קהילת מדעני הגרעין בארצות הברית בהתכנסותה האחרונה עד כה (2015), וגם ממשרד האנרגיה האמריקאי, שהגיש  בשנת 2017 בקשה להערכה בלתי תלויה של ה-EIC מהאקדמיות הלאומיות למדעים, הנדסה ורפואה של ארצות הברית (NAS). ביולי 2018 מצאה הוועדה של NAS שההצדקה המדעית לבניית ה-EIC היא מהותית, משכנעת ורלוונטית.

יש שני מסלולים אפשריים לבניית המכונה הזאת. הראשון הוא לשדרג את ה-RHIC בברוקהייבן. במסגרת התוכנית הזאת, שכונתה eRHIC, יוסיפו אלומת אלקטרונים למנהרת המאיץ הקיימת כבר ב-RHIC ויגרמו לה להתנגש בשתי נקודות שונות באחת מאלומות היונים של ה-RHIC.

אפשרות אחרת היא להשתמש באלומת האלקטרונים של מתקן מאיץ אלומת האלקטרונים הרציפה (Continuous Electron Beam Accelerator Facility, או CEBAF) שבמעבדת ג'פרסון. בהתאם לתכנון שנקרא "ה-EIC של מעבדת ג'פרסון" (JLEIC), אלומת ה-CEBAF תנותב לתוך מנהרת מאיץ חדשה שתיבנה בשכנותה.

כל אחד מהמתקנים האלו יוכל לספק קפיצת מדרגה אדירה בהבנתנו את הכרומודינמיקה הקוונטית, ולהעניק לנו סוף סוף תמונה מוחשית של הנוקלאונים והגרעין מבפנים. כל אחד מהם אמור לאפשר לנו לטפל בשאלות הספין, המסה ומאפיינים אחרים של הנוקלאונים, שנכון להיום איננו יודעים מה לעשות בהם. ולכל אחד מהם תהיה היכולת להטיח אלה באלה סוגים רבים של גרעינים, כולל גרעינים כבדים כמו זהב, עופרת ואורניום, שיאפשרו לנו לחקור איך היערכות הקווארקים והגלואונים משתנה כשהנוקלאונים שלהם מרכיבים חלק מגרעין גדול יותר. היינו רוצים לדעת, למשל, אם חלק מהגלואונים מתחילים לחפוף זה את זה כך שהם הופכים "משותפים" לשני פרוטונים שונים.

פמטו-טכנולוגיה?

במאה ה-21, עצם גודלו של האטום הפך לגורם המגביל בטכנולוגיות שלנו. אם לא תהיה פריצת דרך משמעותית, רכיבים אלקטרוניים לא יוכלו להיות קטנים יותר מ-10 ננו-מטרים (בערך פי מאה מרוחב האטום). מכאן עלול לנבוע שלא סביר להניח שכוח המחשוב הרגיל ימשיך להתפתח באותו קצב שבו הוא מתקדם כבר למעלה מחמישים שנה.

אולם נוקלאונים והמבנים הפנימיים שלהם קיימים בקנה מידה קטן פי מיליון. הכוח החזק המושל בממלכה הזו חזק בערך פי מאה מהכוח האלקטרומגנטי העומד בבסיס האלקטרוניקה של ימינו – למעשה הוא הכוח החזק ביותר ביקום. האם ייתכן שנוכל ליצור "פמטו-טכנולוגיה" שפועלת על ידי תמרון קווארקים וגלואונים? במובן מסוים טכנולוגיה כזאת תהיה חזקה פי מיליון מהננו-טכנולוגיה של ימינו. מובן שהחלום הזה אינו אלא השערה הנוגעת לעתיד הרחוק. אבל כדי להגיע לשם, עלינו לפתח קודם הבנה מעמיקה של העולם הקוונטי של הקווארקים והגלואונים.

ה-EIC הוא מתקן הניסוי היחיד בעולם שבנייתו נשקלת בפועל ושיוכל לספק לנו את הנתונים הדרושים להבנת מלוא היקפה של הכרומודינמיקה הקוונטית. אולם בניית ה-EIC לא תהיה נטולת אתגרים. הפרויקט הזה יצטרך ליצור אלומות בוהקות מאוד וממוקדות במיוחד של אלקטרונים, פרוטונים וגרעיני אטומים אחרים על פני קשת רחבה של אנרגיות, כדי שמספר האירועים לדקה שהוא יוכל ליצור יהיה גדול פי מאה עד אלף ממספר האירועים שיוצר מאיץ HERA. מחקרי הספין דורשים שלאלומות החלקיקים שתספק המכונה יהיו ספינים בעלי יישור מרבי ושנוכל לשלוט בהם ולתמרן אותם.

כדי לעמוד באתגרים האלו אנו זקוקים להמצאות חדשות שיבטיחו לשנות את פניו של מדע המאיצים, לא רק לתועלת הפיזיקה הגרעינית אלא גם למען עתיד המאיצים המשמשים למחקר בתחומי הרפואה, מדע החומרים ופיזיקת החלקיקים האלמנטריים.

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון יוני 2019 של כתב העת Scientific American

לקריאה נוספת

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

 

תגובה אחת

  • חיים ולצר

    Principles for a unified

    Principles for a unified physical theory - an introduction Piaget's cognitive theory divides human cognitive development into four principal stages.
    The first stage called the "sensory-motor stage" begins at birth and lasts until the age of one and a half to two years.
    At this stage, the baby and later the child begins to build his physical worldview while mixing the sense of sight and the other senses, creating a system of "basic physical patterns", which describe - to the brain - the physical structure of the external environment.
    This system of templates will always reflect the same impression from the sensory system to the brain and therefore it accompanies the person throughout life.
    Later the stages developed are: "pre-operative", "operative phase" "formal operative phase".
    In these additional stages, higher and higher values are assigned to the same basic structure of the patterns known to the brain, which characterize the forms of human culture. The basic natural principles that were developed in the brain following practical experience with the external environment already at the beginning of life, are used by the brain to interpret future observations of the external environment and thereby determine the physical interpretation that will be given to the observations by the brain. (As opposed to mental perceptions dictated by education and the environment in which the person lives).
    This phenomenon determines the physical worldview of each and every person and, among other things, also the accepted physical worldview. The human's developed sense of sight is responsible for: 80% of the structure of the human's physical observations while the other senses participate in determining the remaining percentages.
    If we compare the range of electromagnetic frequencies that cover the range of human vision to the range of all known electromagnetic waves, it seems that over the entire range of vision that determines human physical perception, there are billions upon billions of possible ranges that cover physical possibilities that cannot be perceived by humans. (The technical tools available to science are also only secondary tools and do not cover the entire range of possibilities). In principle, if we take any human physical principle of which we are sure of its correctness, choose a principle opposite to it by 180 degrees and examine it objectively detached from our personal perception, it seems that it can also exist in principle. The sciences of modern physics were developed by a series of brilliant scientists and brought the science of physics to amazing achievements, but due to the limitations of the mind on human physical perception, physics was locked on the accepted interpretation and various possibilities that are outside the existing perception were abandoned. Feasibility
    In an attempt to uncover such possibility, a Situation was considered , that the force striving to bring the masses closer to each other derives from a: "repulsive force" exerted on the masses by the space surrounding them. (And not by gravitons) As a result of Checking this possible situation and the question: What is the possible nature of a space that can push masses together? Basic principles have been found that can be developed by scientists specializing in mathematics and quantum theory, principles that can explain all physical phenomena's in terms of electromagnetic waves with different characteristics. In order to analyze these possibilities, we must ignore for a moment all the accepted concepts and judge the principles described solely based on their possible feasibility.
    ( A preliminary test can be carried out on the subject of the electromagnetic wave, a test that, if proven by a qualified tester to be possible, may bring about a significant change in various scientific concepts ). In the description that will appear below, the abbreviations of the chapter "Principles of a Unified Theory" that appear in the Hebrew book "https://human-perception-system.com/ " - on Google - were listed in a general way. Thanks Haim walzer Principles for a unified physical theory In order to give a basic impression of the ideas that develop during the chapter, the main points have been concentrated in a limited number of sections.
    1 - Nature of an electromagnetic wave
    2 - electromagnetic bubble
    3 - the nature of the space
    4 - Proton and neutron nature
    5 - Electron character
    6 - A possible explanation for various phenomena Nature of an electromagnetic wave
    Maxwell's laws state that an electromagnetic wave consists of a sinusoidal electric field perpendicular to a sinusoidal magnetic field and the phenomenon progresses in space in a straight line at the speed of light.
    This description corresponds to the electrical system produced by man and serves him in his daily life, or to the description of sea waves or sound waves, but as mentioned, there are also different possibilities. There is a possibility according to which, in reality, an electromagnetic wave consists of a very narrow pulse of an electric field which excites perpendicularly to it, a narrow pulse of a magnetic field, which excites an electric field pulse and so on so forth . Since the maximum speed of propagation of phenomena in nature is limited to the speed of light, there will be a slight delay between the electric pulse and the magnetic pulse it creates and this delay will deviate the magnetic pulse relative to the perpendicular of the electric pulse. Another similar delay will be between the electric pulse created due to the magnetic pulse, the delay which will deflect the next electric pulse, in relation to the magnetic pulse that creates it and in relation to the previous electric pulse.
    Following these pulses, an electromagnetic beam will begin to move in space in a helical motion around the axis of motion and the description of the electromagnetic wave according to Maxwell is actually a vertical section of the original wave.
    According to this description it is possible to understand how an electromagnetic wave can move in space, while according to the conventional description it is not possible to understand how a sine of an electric field perpendicular to a sine of a magnetic field can soak itself in space. Electromagnetic bubble
    The description of electromagnetic waves moving in a straight line corresponds to relatively low frequencies up to around 10^24 HZ. In reality, waves at much higher frequencies can exist.
    Once an electromagnetic wave reaches a very high frequency it cannot continue moving in a straight line. (The bubble space which will be discussed later has difficulty tracking the frequency and causes the original wave to deviate). Following the deviation, the wave begins to move in space in a movement that aims to create a circular movement, which eventually locks onto itself in the form of a spatial ball containing several paths of the beam that move in a helical motion, around the circumference of the ball. The resulting ball can be likened to the image of a prickly hedgehog.
    The spines of the hedgehog indicate the electric pulses of the ball for example, while the magnetic pulses indicate the body of the hedgehog or the skin covering of its body. Note for continuation: {{A quantum is a given length of an electromagnetic wave. The wavelength is the Planck length which is the measure of a spatial bubble. Each quantum has a number of electromagnetic pulses.
    At a low relative frequency of a wave, the number of pulses in each quantum is small and the distance between them is relatively large (an empty space is created between the pulses). When the frequency of the wave or its energy increases, this is expressed in the form of increasing the number of pulses of the electromagnetic waves, (an electric pulse which creates a magnetic pulse). As the frequency or energy of the wave increases, the spaces between the pulses are filled with additional pulses, which is expressed in the form of increasing the frequency and energy of the quantum.
    When the frequency of the wave approaches the order of magnitude of the Planck frequency, the difference between the distances of the electric and magnetic pulses get closer to each other and they begin to push each other and therefore the deviation of the wave from a straight line increases and increases and the wave begins to create a circular movement with a small radius and increases the higher the frequency.
    Power of a wave and frequency of a wave act respectively. As the frequency increases, more pulses are created with spaces between them, as the intensity increases, more pulses are created between the spaces of the frequency. The direct relationship between the frequency of the original wave and its intensity causes a greater deviation of the wave from a straight line and the creation of a smaller electromagnetic bubble with greater energy}}. the nature of the space
    According to the hypothesis, the space consists of a spatial matrix of tiny, very energetic electromagnetic bubbles, which are synchronized with each other, and in this space all known physical phenomena take place, in the form of electromagnetic phenomena of various types as detailed during the chapter. The bubbles of space apparently consist of a sickle locked on itself in the spatial form of the number 8 . This shape is symmetrical in all respects and can explain the isotropic property of space. The diameter of the spatial bubbles should be equal to the Planck length and their frequency should be the Planck frequency. A spatial bubble can each time lock a section of an electromagnetic wave, the length of the bubble's diameter, and pass it on as a photon of energy.
    When a space electromagnetic bubble transmits a phenomenon of energetic disturbance at 180 degrees, the disturbance will move at the speed of light and in quantum values as explained during the chapter. Nature of proton and neutron
    A proton and a neutron are actually an electromagnetic bubble which contains a variable number of electromagnetic wave segments moving on the extent of the bubble.
    The electromagnetic wave is locked onto itself when the end of the cycle is connected to the beginning of the first wave.
    The electromagnetic wave that moves around the circumference of the sphere also maintains a helical motion around the axis of motion and this phenomenon causes that in some circles spikes of a positive electric field will be directed outwards which will be interpreted as protons and in another part there will be mixed electric and magnetic spikes which will be electrically neutral and interpreted as neutrons.
    The energetic increase of the nucleus composed of protons and neutrons can be carried out in jumps of a complete peripheral wave segment only, ( photon ) which changes the content of the nucleus in complete units of protons or neutrons and also explains the stability of the nucleus. (The radius of the nucleus is on the order of 10^-15 Fermi, compared to the radius of the atom, which is measured on the order of 10^-10 angstroms. In fact, most of the volume of the universe is empty, and the same goes for the objects that we perceive as having volume, they are actually empty by more than 13 orders of magnitude from the total volume.) Quote from the Internet
    (Planck length is 1.61624^-35 m) Quote from the internet character of an electron
    Similar to the nucleus of the atom, the electron is also a phenomenon of an electromagnetic sphere in which a locked electromagnetic beam moves, in a variable number of circumferences around the sphere.
    The different paths of the beam, which also maintains a helical motion, create different spatial angles that are locked onto the nuclear waves, which create different orbitals on which the electron's motion is synchronized.
    Even in this sphere, whose diameter is larger than that of the nucleus, the energy can change in jumps of complete electromagnetic segments only.
    These changes that apply to the electron sphere change the spatial arrangement of the rays around the sphere and cause the electron to seek a new path around the nucleus that will fit its new shape.
    The energy needed to create a new peripheral wave in the electronic sphere of the electron is the energy of a photon and it is also released when the electron changes course and emits one of the peripheral waves.
    A similar phenomenon can also occur in the nucleus of heavy atoms, when an electromagnetic section of a nucleus is released, as in a radioactive element, a photon is released with a large amount of electromagnetic energy that characterizes the nuclear waves. A suitable analysis of the electromagnetic structure of the nucleus will probably also reveal the number of electrons possible in each and every given shell.
    The number of peripheral waves of each atom in the periodic table, relative to the atomic weight that distinguishes them when small differences upwards or downwards, can express different isotopes of each atom. Theoretically, a situation can exist in which there are electrons with partial or opposite spin that adjust themselves to the different states of the nucleus
    Theoretically, there can exist a parallel situation of negative nuclei and positive electrons that adjust themselves to the orbitals of the nucleus. Theoretically, a situation can exist in which different combinations of the nuclear waves express the properties of the quarks. (The meaning is that different sections of the atomic nucleus can have different nature of electromagnetic sections. The helical motion of all the sections in the nucleus creates orbitals of different nature and these orbitals create parts of matter of different nature). In conclusion
    A space built from a matrix of electromagnetic bubbles that are synchronized between them, can form a basis for the unification of all known phenomena. According to this concept, all material phenomena are electromagnetic bubbles with a different number of electromagnetic wave sections that move around the nucleus and also maintain a helical motion. The helical motion of the waves in the circumference creates orbitals with a different arrangement of electric and magnetic spikes on which electrons with an appropriate spike arrangement are synchronized. According to this concept, all energy phenomena are segments of electromagnetic waves that exist and move in the general bubble space while creating an interaction with particles of matter found in their path. Contrary to the view that matter was created in the big bang process and maintains the original energy content, according to the concept of the bubble space, matter itself is a dynamic process that draws its energy content from the bubble space, while changing phase in a quadratic manner in relation to the decrease in distance
    It is the space of the bubbles that makes all the connections between the parts of the material, in the form of an exchange of electromagnetic energy. Based on what has been said so far, it is possible to assume that: It is possible that in the Big Bang process, all the matter and antimatter in the universe was created. These opposite particles repel each other and as a result the center of the universe consists of antimatter when the matter is different from it in phase. These particles repel each other and cause the material to move away from the center of the universe towards the mantle..
    The fluctuations between matter and antimatter cause the existence of the spatial electromagnetic bubble matrix and the supply of the energy necessary for the existence of the various phenomena in the universe
    In contrast to the rate of changes limited to the speed of light, the synchronization of the spatial bubble field causes the simultaneous occurrence of changes along the lines of the spatial field, which can explain the occurrence of distant phenomena, simultaneously, at large distances from each other, regardless of the speed of light.
    If we want to look for connections between distant parts of the universe: (STI) instead of looking for changes in the amplitude of the electromagnetic waves moving through space at the speed of light, we must look for changes in the phase of these waves, changes that occur simultaneously in longitudes that are far from each other and thus allow for an immediate connection between different parts of the universe.
    concentration of phenomena that can be explained through the space of electromagnetic bubbles. 1 - Isotropic space:
    the space of the synchronized bubbles is symmetrical in all directions
    A spatial bubble apparently consists of two spatial circles in the shape of the number 8 and is symmetrical in all directions. 2 - Absolute space:
    the space of the synchronized bubbles constitutes an absolute reference point for all the movements and phenomena that exist within it. 3 - Gravity, acceleration, centrifugal force:
    the forces involved in the three phenomena result from phase changes in the bubble space. 4 - Energy space:
    the energy of the material is drawn from the bubble space and changes the phase of the space, as you get closer to the mass. 5 - The two-slit experiment:
    the substance is a phenomenon of electromagnetic spheres within the space of bubbles and has both the properties of a particle and the properties of a wave, depending on the nature of the test being carried out.
    When performing an experiment with two slits, the electromagnetic shape of the passing electron will interfere.
    A probe to test the passage of an electron through one of the slits must contain a coil on which a voltage is applied. The effect of the probe on the electromagnetic shape of the electron apparently interferes with the interference, (changes the sequence of the wave) and causes it to pass through only one of the slits as a particle. 6 - Dark matter:
    the space of bubbles bearing the nature of matter, can explain 95% of dark matter.
    7 - Quantum phenomena:
    the phenomenon of material inventions in several places at the same time is explained by the electromagnetic nature of the material within the bubble space, the material covers a relatively large volume of the bubble space and is physically located in several places at the same time. 8 - The decrease in the speed of light in a system that is in motion throughout the space of
    .(reference below) bubbles 9 - All parts of the material are electromagnetic spheres with a relatively large volume to the size of a spatial bubble. 10 - Quantum:
    energy transferred in a spatial electromagnetic bubble, in one cycle. The rate of energy transfer is limited by the speed of light and the spatial bubble frequency. 11 - Solving the twins' paradox:
    space is absolute and all movements exist in relation to it. The speed of light and time decrease within a system in motion as a function of the speed of motion in space. As a result, time in the high-speed drive system will pass more slowly and in the reference system it will move at a normal rate. (The brother in the space drive system will age more slowly than the brother in the reference system)
    .
    12 - All the phenomena that occur in nature arise from the energy exchange of electromagnetic waves, mediated by the bubble space. 13 - As the speed of a mass approaches the speed of light, its value decreases, its synchronization with the bubble space is small and its energy is spread in its wake in the bubble space and returned to it after the impact. (Kinetic energy is conserved). 14 - Time space changes: can be explained by bubble space phenomena, Space change is explained by spatial phase change in the vicinity of a mass.
    Time change is explained by slowing down the rate of time and the speed of light in a system that is in motion throughout absolute space. The deviation of a light beam in the vicinity of a mass is due to phase changes near the mass which exert a repulsive force on the light beam in the direction of the mass. 15 - The highest rate of transmission of disturbance in the bubble space is the speed of light. This rate results from multiplying the Planck frequency by the Planck length, values that characterize the spatial bubbles. 16 - The bubbles in the space are synchronized with each other, so it is possible to transfer information immediately along the flow lines. 17 - The phase changes in the space created by the material cause the atoms of the material to be compressed to the minimum possible extent. 18 - A total black hole is not possible. Beyond a certain density, excess energy is emitted as radiation. If there was no limit to compression, heavier atoms would exist and no radiation would be emitted from heavy atoms. 19 - Train thought experiment: Both observers will see the light arriving at the same time to both of them, the difference is that the speed of light inside the train will be lower and the observer in the train will see the impact as if it occurred late compared to the outside observer. 20 - Time is human transformation. The rate of time changes in the system depends on the speed of the system's movement in the absolute bubble space and it decreases as the speed increases. (A deduction is required from the possible structure of the bubble space). 21 - The concentration of the topics:
    an electromagnetic wave moves in space in a screw motion when its relatively low frequency consists of narrow magnetic and electric pulses that create each other. Maxwell's description of an electromagnetic wave is a planar section of the original wave. At a high frequency of the waves the pulses are closer and at a certain point, at a very high frequency the wave begins to lock in space in a spherical motion. The higher the frequency of the electromagnetic wave, the smaller the ball and the higher its energy. This explanation describes all phenomena in terms of electromagnetic waves and electromagnetic energies. The spatial bubble field consists of extremely small electromagnetic bubbles with extremely high energy. Electrons are electromagnetic spheres with a relatively large diameter relative to the spatial field. Protons are electromagnetic spheres with a smaller diameter relative to an electron and greater energy. If very high frequency electromagnetic waves tend to lock into the shape of an electromagnetic sphere, there can be a situation where when particles are slammed into each other in a particle accelerator, electromagnetic waves are also created that move in a straight line and at a relatively low frequency, but if the energy is high, very high frequency waves are also created that are locked into the state of an electromagnetic sphere which is interpreted by us as particles of matter.
    (Particles driven at a speed close to the speed of light begin to spread in the space of movement and at the moment of hitting the target there may be a situation where some of their electromagnetic waves will connect to the target and produce different material particles). 22 - According to the hypothesis, three different forces of nature can be explained based on the principles that have been described so far. The electromagnetic force: is the heart of the principles. It creates the various components of matter, creates the space of bubbles and is involved in all the processes in nature. Gravity and the strong nuclear force: these two forces are the same phenomenon. The material draws its energy from the space of the bubbles and thereby changes the phase of the space next to it. The phase change causes the force of repulsion (attraction) exerted on masses by space and brings them closer to each other. The same force of repulsion created by the space of the bubbles continues to act on the atomic particles even at small radii and keeps them close despite the electrical repulsion exerted on them. 23 - A possibility to describe the atoms is: the nucleus of the atom is an electromagnetic sphere in which the electromagnetic wave is locked and moves in orbits that multiply as the atom is heavier. The energy of the nucleus is taken from the bubble space. Some of the orbits of the nucleus contain positive electric spikes at different spatial angles and are interpreted as protons around which electrons move in spins corresponding to the angle of the spikes in the nucleus. The addition of electromagnetic orbits to the nucleus is interpreted as the addition of a proton or a neutron and is carried out in jumps of complete wave segments. A similar description can also characterize the electron. The electron is also an electromagnetic sphere consisting of a locked wave with prominent negative electric spikes. The spikes are directed in different directions and follow the corresponding nuclear waves in appropriate spins. Adding energy to the electron jumps up the number of surrounding waves, changes the spatial arrangement of the waves and jumps the electron to a higher shell corresponding to the new arrangement. In this description there is no problem of repulsion between the protons and there is no problem of the movement of the electrons around the nucleus. This possibility of a space of synchronized electromagnetic bubbles, atomic nuclei, electrons and elementary particles consisting of electromagnetic spheres, and the transfer of energies in terms of electromagnetic interference, can give a uniform and relatively simple description for all the various physical phenomena. 24 24 - Antimatter: If matter manifests itself in positive electromagnetic waves in the nucleus and negatives in the electrons, a symmetrical situation is possible in which the nuclear waves are different in length and the nuclear spikes facing outwards are negative or negative at different angles, and electrons with positive spikes at appropriate angles will focus on them. This possibility means that there may be a situation where the possibility of the existence of matter in different forms and anti-matter having forms opposite to the form of matter, these statistical possibilities are equal and we mainly see the form of matter because we are in the space where the material phenomenon of the atoms is concentrated. 25 - Cooling a material to - 273 degrees: When you cool a material, its volume decreases by approximately: 1/273 with each decrease of a degree Celsius. According to this, around this decrease, it should decrease to a volume close to: 0 at the end of the process. Another fact is that around the low value the resistance of the material drops to 0 and it becomes a superconductor. Based on the assumption of the bubble space, the decrease in volume should not be linear but should occur in small jumps each time. If the nucleus and the electron consist of a locked electromagnetic beam, then every time the substance loses energy, a short section of an electromagnetic wave falls from the perimeter of the nucleus and the electron, and this reduces the volume of the atom by a small jump. Around absolute 0, the nucleus becomes so small that it no longer has enough orbitals to hold the electron and the material becomes a superconductor.
    ( If it were possible to influence the structure of the nucleus in any electromagnetic way and change the structure of the orbitals of the nucleus, it would not be able to hold electrons and the material would become a superconductor at a relatively high temperature ). 26 - The diameter of the nucleus and the atom: if the nucleus consists of a locked electromagnetic beam, then every time the locked beam grows by a number of locked segments, another orbital is created which can capture another electron. This increases the atomic weight of the material and increases the number of electrons that the nucleus can capture, but the atomic diameter of the material does not have to increase in a linear fashion because the nucleus itself is not composed of protons and neutrons but rather a closed electromagnetic wave of greater length locked in a greater number of peripheral circles which create an additional number of orbitals for capturing electrons.
    27 - Energy: every energy in the universe is expressed in the form of an electromagnetic wave which is delivered to a spatial bubble and is transmitted by it in quantum leaps.
    28 - Background noise: when the energy of the transmitted wave is near a material that can absorb it (sufficient frequency and intensity), it will be swallowed by the material and interpreted by changing frequency and intensity into the bubble space. If the frequency and intensity are not sufficient to be absorbed by the material or there is no material in the environment, the energy will appear in the form of background noise throughout the surrounding space. This description is a concentration and expansion of the material presented in the chapter "From burdening to unification of theories" in the internet book "The Human Perception System" in "Google" and further detail of it appears in the aforementioned chapter. I would be very happy to receive comments regarding the ideas described in the post. Thanks Haim Walzer