חייהם הפנימיים של הקווארקים

בקיצור

• ב-1869 יצר דימיטרי מנדלייב את הטבלה המחזורית של היסודות הכימיים, לאחר שהבחין שתכונות היסודות הכימיים מתאימות לדפוס החוזר על עצמו, הנובע, כפי שהסבירו לימים הפיזיקאים, ממבנה אטומי. ייתכן שסיפור דומה מתרחש כיום בשנית בפיזיקת החלקיקים.
• ל-12 החלקיקים האלמנטריים הידועים יש דפוסים חוזרים משלהם, המעלים את האפשרות שאין הם באמת יסודיים אלא בעצם כדורים זעירים המורכבים מחלקיקים קטנים יותר, שהפיזיקאים העניקו להם באופן זמני את השם "פְרֶאוֹנים".
• ראיות אחרות ניצבות כנגד האפשרות הזאת. מאיץ ההדרונים הגדול שב-CERN, יחד עם עוד כמה ניסויים פחות מוכרים, עשוי ליישב סוף סוף את הסוגיה.

העולם הוא מקום מורכב ומסובך. אנחנו יכולים לנוע בקלות דרך האוויר – אבל לא דרך קיר. השמש הופכת יסוד אחד לאחר, ושוטפת את כוכב הלכת שלנו בחום ואור. גלי רדיו נשאו את קולו של אדם מעל פני השטח של הירח עד לכדור הארץ, ואילו קרני גמא עלולות לגרום נזק חמור ובלתי הפיך לדנ"א שלנו. לכאורה אין שום קשר בין התופעות השונות האלה, אבל הפיזיקאים גילו קומץ של עקרונות המתמזגים יחדיו לתיאוריה מפעימה בפשטותה, שבכוחה להסביר את כל התופעות האלה ועוד רבות. התיאוריה הזאת מכונה בשם המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, והיא מקפלת בתוכה את הכוחות האלקטרומגנטיים שגורמים לקיר להיות מוצק למגע, את הכוחות הגרעיניים השולטים בתחנת הכוח של השמש, ואת המשפחה המגוונת של גלי אור שמצד אחד מאפשרים לתקשורת המודרנית להתקיים ומצד אחר מאיימים על בריאותנו.

לא נוצרו הרבה תיאוריות שהצלחתן מרשימה כל כך כמו זו של המודל הסטנדרטי. בעיקרו של דבר, התיאוריה מניחה שקיימות שתי מערכות של חלקיקי חומר שאינם ניתנים לחלוקה: קווארקים ולפטונים. קווארקים מסוגים שונים מרכיבים את הפרוטונים ואת הנויטרונים, והלפטון המוכר ביותר הוא האלקטרון. התמהיל הנכון של קווארקים ולפטונים יכול ליצור כל אטום, וממילא – גם כל אחד מסוגי החומר השונים שביקום. מרכיבי החומר האלה נקשרים זה לזה באמצעות ארבעה כוחות – שניים מוכרים: כוח הכבידה והכוח האלקטרומגנטי, ושניים פחות מוכרים: הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. מסירה וקבלה של חלקיק אחד או יותר מן החלקיקים הידועים בשם בוזונים, הם התהליכים המתווכים בתהליכים של שלושת הכוחות האלה שהוזכרו כאן, אבל כל הניסיונות שנעשו לטפל בכבידה בקנה המידה המיקרוסקופי נכשלו עד כה.

המודל הסטנדרטי מותיר גם הוא כמה שאלות בלתי פתורות, כמו למשל: מדוע יש ארבעה כוחות דווקא ולא מספר אחר? ומדוע יש שני סוגים של חלקיקי יסוד ולא רק סוג אחד שמטפל בכל הדברים?

אלו בעיות מסקרנות מאוד. ועם זאת, כבר די הרבה זמן לכדה חידה אחרת את תשומת לבי ואת תשומת לבם של פיזיקאים רבים אחרים. על פי המודל הסטנדרטי, קווארקים ולפטונים הם בלתי ניתנים לחלוקה. אך למרבה התדהמה יש כמה רמזים המורים על כך שהם דווקא בנויים ממרכיבים קטנים עוד יותר. אם קווארקים ולפטונים אינם יסודיים כלל, ואכן קיימים חלקים קטנים יותר, הנוכחות שלהם תאלץ אותנו לבצע שכתוב נרחב בתיאוריות שלנו. ממש כשם שהכוח הגרעיני נראה בלתי מתקבל על הדעת לפני שגילה ארנסט רתרפורד את מבנה האטום ב-1911, כך הסרת הלוט מעל שכבה נוספת של הבצל התת-אטומי תחשוף ללא ספק תופעות שעדיין איננו יכולים אפילו להעלות בדמיוננו.

כדי ליישב את הסוגיה הזאת, המדענים צריכים להטיח חלקיקים אלו באלו באנרגיות גבוהות מאוד. מאז שנצפו קווארקים בשנות ה-70, לא היו בידינו כלים שיאפשרו לנו להציץ לתוכם פנימה. אבל כעת, מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) שבמעבדת CERN על יד ז'נווה – אותה מכונה שלאחרונה גילתה ראיה לקיומו של הבוזון היגס, החלקיק הבלתי מתועד האחרון שבמודל הסטנדרטי – צובר תאוצה ואולי יוכל לעמוד במשימה.

פערי דורות

הרמזים הראשונים למבנים בתוך קווארקים ולפטונים הגיחו מתוך מחקר של אגוז קשה אחר, שטרם פוצח, הקשור למספר הסוגים השונים של קווארקים ולפטונים שהתגלו. פרוטונים ונויטרונים מורכבים משני סוגי קווארקים, המכונים קווארק מעלה וקווארק מטה. אם המטען החשמלי של פרוטון הוא +1, אז המטען החשמלי של קווארק מעלה הוא +2/3 ושל קווארק מטה הוא -1/3. על אף שדי בשני סוגי הקווארקים האלה, יחד עם האלקטרונים, כדי ליצור את החומר ביקום, נצפו גם קווארקים מסוגים אחרים. לקווארק המוזר יש מטען כמו של קווארק מטה, אבל הוא כבד יותר. הקווארק התחתון הוא גרסה עוד יותר כבדה שלהם. בדומה לכך, הקווארק הקסום הוא דודן כבד יותר של קווארק מעלה, ויחד עם הקווארק העליון העל-כבד, הם סוגרים את רשימת בני משפחת הקווארקים. פיזיקאי חלקיקים צפו בכל הקווארקים האלה, אבל ארבעת הקווארקים הכבדים יותר מתפרקים, בתוך כמה שברירי שנייה, לשני הקווארקים הקלים ביותר.

גם לאלקטרון יש דודנים כבדים יותר ובלתי יציבים: הלפטון מיואון והלפטון טאו הכבד אף יותר, שניהם בעלי מטען זהה למטען האלקטרון. כמו כן, גן החיות של החלקיקים מכיל שלושה העתקים של החלקיק ניטרינו, שלושתם סופר-קלים וניטרליים מבחינה חשמלית.

באופן טבעי, הובילה קרן השפע הזאת את הפיזיקאים לשאלה: לנוכח העובדה שהקווארק מעלה, הקווארק מטה והאלקטרון הם החלקיקים היחידים הנדרשים לבניית יקום, מדוע יש להם דודנים רבים כל כך? אפשר לתמצת את השאלה בציטוט השנון והמפורסם של הפיזיקאי חתן פרס נובל, א' א' רבי, כשמע על גילוי המיואון: "מי הזמין את זה?"

אחת הדרכים שנקטו המדענים על מנת לפצח את התעלומה של משפחות החלקיקים הענפות הייתה לבנות לוח שמתאר את המאפיינים של כל החלקיקים האלמנטריים הידועים [ראו תיבה למעלה], המקביל לטבלה המחזורית של היסודות הכימיים. הטבלה המחזורית סיפקה לפיזיקאים את הרמזים הראשונים לכך שייתכן שהיסודות הכימיים אינם יסודיים, אלא שקיימים דפוסים שיטתיים במבנה הפנימי של האטום, והם האחראים על תכונות דומות של יסודות המצויים באותה שורה או באותו טור.

בלוח הקווארקים והלפטונים יש שלושה טורים המכונים "דורות" (וזו הסיבה שתעלומת כפילות החלקיקים מכונה כיום "בעיית הדורות"). דור I, בקצה השמאלי, כולל את הקווארקים מעלה ומטה, וכן את האלקטרון ואת הניטרינו של האלקטרון – כל מה שנדרש כדי להסביר את היקום המוכר שלנו. דור II כולל את הגרסאות הקצת יותר מסיביות של אותם חלקיקים; בדור III מצויים החלקיקים המסיביים ביותר.

המודל הסטנדרטי רואה בקווארקים ובלפטונים חלקיקים נקודתיים, חסרי כל מבנה פנימי. אבל הדפוסים שאפשר לראות בטבלה, כמו בטבלה המחזורית של הכימיה, מעלים את האפשרות שההבדלים בין הדורות נובעים מתוך התצורה של אבני בניין עוד יותר קטנות של חומר בתוככי הקווארקים והלפטונים.

תקדים היסטורי נוסף, מן הימים הסמוכים לתחילת המאה ה-20, שיכול להיות רלוונטי לחיפוש אחר המבנה שבתשתית הקווארק, הוא גילוי ההתפרקות הרדיואקטיבית. באמצעות תהליך שלא הובן בזמנו, יסוד אחד יכול להפוך ליסוד אחר. כעת אנו יודעים שבאמצעות שינוי מספר הפרוטונים והנויטרונים שבגרעין, אפשר להגשים את חלומם של אלכימאי ימי הביניים ולהפוך עופרת לזהב. טווח ההמרות האפשריות רחב אף יותר מזה, מכיוון שהאלכימיה הגרעינית יכולה אפילו להפוך נויטרון לפרוטון (או להפך) על ידי שינוי זהותם של הקווארקים המרכיבים אותם. ההמרה הזאת מתרחשת באמצעות פעולתו של הכוח הגרעיני החלש, שיכול גם לשנות לפטונים, על אף שלא ניתן להפוך קווארקים ללפטונים או להפך. ממש כשם שהפיכת יסוד אחד לאחר משקפת את המנגנונים הפנימיים הסבוכים של האטום, כך המטמורפוזה של הקווארקים והלפטונים יכולה לספק בסופו של דבר רמז נוסף לפרטים עדינים אף יותר בתוך החלקיקים האלה.

ראש וראשון

מועמדים משוערים רבים הוצעו לתפקיד אבני הבניין המרכיבות קווארקים ולפטונים, ולכל אחד מהם שם אחר, אבל המונח "פְּרֵאוֹן" התקבל כשם טיפוסי המתאר את כולם. במרבית המקרים, אותו שם חל גם על מרכיבי החלקיקים הנושאים את הכוחות הפועלים על אותן פיסות חומר.

לצורך המחשה, תוכלו לחשוב על מודל פשוט וישיר שהוצע ב-1979 בידי חיים הררי, שעבד אז במרכז המאיץ הלינארי שבסטנפורד, ובנפרד ממנו גם על ידי מייקל א' שופ, שעבד אז באוניברסיטת אילינוי שבאורבנה-שמפיין, ולאחר מכן הורחב בידי הררי ותלמידו נתן זייברג, שעבדו אז יחדיו במכון ויצמן למדע ברחובות. הם העלו את האפשרות שקיימים שני סוגים של פראונים (הררי כינה אותם, בשילוב של עברית עם הסיומת "-ון" המקובלת עבור חלקיקים, פשוט "ראשונים", או, באנגלית, rishons), האחד בעל מטען חשמלי של +1/3 והאחר בעל מטען אפס; בנוסף לכך, לכל אחד מן הפראונים האלה יש בן זוג אנטי-חומרי בעל מטען הפוך: -1/3 ואפס, בהתאמה. הפראונים האלה הם פרמיונים – חלקיקי חומר – וכל קווארק ולפטון מכילים תערובת ייחודית של שלושה פראונים. שני פראונים בעלי מטען של +1/3 ואחד בעל מטען אפס, לדוגמה, יוצרים קווארק מעלה, ואילו רעהו האנטי-חומרי של קווארק מעלה מכיל שני פראונים בעלי מטען -1/3 ואחד בעל מטען אפס. בה בעת, הבוזונים נושאי הכוח מורכבים מצירופים ייחודיים של שישה פראונים. למשל, לבוזון ה-Wהטעון במטען חיובי, הנושא את הכוח הגרעיני החלש הפועל הן על קווארקים והן על לפטונים, יש שלושה פראוני +1/3 ושלושה פראוני אפס.

בעזרת סדרת הנחות מתקבלות על הדעת, שיערו הררי ושופ מהו הרכב הפראונים של כל החלקיקים מן הדור הראשון. אותן אבני בניין יכולות להסביר גם את הגלואונים, החלקיקים התת-אטומיים המתווכים בתהליכי הכוח הגרעיני החזק שקושר קווארקים זה לזה בתוך פרוטונים ונויטרונים, וגם את הבוזונים נושאי הכוח האחרים.

האתגר הניצב לפני מי שמנסה למצוא את העקרונות שבבסיס כל מבנה יסודי של הקווארקים, הלפטונים והבוזונים המוכרים הוא להצליח להסביר את שפע האינטראקציות של החלקיקים והכוחות האלה. ואמנם, פראונים יכולים לספק שפה הגיונית לתיאור תהליכים תת-אטומיים. העלו בדעתכם, לדוגמה, קווארק מעלה המתנגש עם קווארק מטה אנטי-חומרי, ויוצר כך בוזון W טעון במטען חיובי שמתפרק לאלקטרון אנטי-חומרי, הקרוי גם פוזיטרון, וניטרינו של אלקטרון. במודל הפראונים שפיתחו הררי ושופ, הקווארקים הנכנסים, שלכל אחד מהם יש שלושה פראונים, משתלבים בהתנגשות ויוצרים בוזון W, שכעת מכיל את כל שלושת מטעני ה-+1/3 ואת שלושת מטעני האפס. לאחר מכן, בוזון ה-W מתפרק ופולט תצורה שונה של אותם שישה פראונים: פוזיטרון אחד (עם שלושת מטעני ה-+1/3), וניטרינו אלקטרון אחד (עם שלושת מטעני האפס).

עד כה דנתי במה שאפשר לכנות נומרולוגיית קווארקים ולפטונים. מדובר בסך הכול במשחק מספרים, כמו איזון משוואות כימיות או מתמטיות – גם אם מדובר במשחק רציני ובר-יישום. כדי שמודל פראונים יהיה מוצלח, עליו להסביר את הקווארקים ואת הלפטונים בעזרת מספר קטן של אבני בניין וכללים מעטים השולטים בהן. ככלות הכול, התקווה היא למצוא סדר יסודי המאחד חלקיקים שונים לכאורה, ולא מערכת של הגדרות אד-הוק המסבירה את התכונות שלהם על בסיס של כל מקרה לחוד. הסבר כזה הושג במקרה של הפראונים, גם במודל של הררי-שופ וגם במתחריו המוצלחים.

עם זאת, ייתכן שהבחנתם שהדיון עד כה כלל אך ורק את הדור הראשון של קווארקים ולפטונים. העסק נהיה מעורפל יותר כשאנחנו מפנים את תשומת לבנו לדור השני ולדור השלישי. במסגרת המודל שהציעו הררי ושופ, ההשערה היא שהדורות הגבוהים יותר הם מצבים מעוררים של תצורות הדור הראשון. ממש כפי שאלקטרונים קופצים מרמת אנרגיה אחת לאחרת באטומים, מנגנון בלתי ידוע כלשהו אמור לקשור את הפראונים זה לזה באופן המאפשר לכמה דורות מרובי חלקיקים להתקיים במסגרת אותם מרכיבים.

אם ההסבר הזה נראה קצת כמו נפנופי ידיים, אין זה אלא בגלל שהוא אכן כזה. רבים מן הפרטים עדיין לא עובדו. גם המחקרים התיאורטיים שהציעו לראשונה את רעיון הקווארקים היו ברמת תחכום דומה. רק מאוחר יותר הכוח החזק, שקושר קווארקים יחדיו כדי ליצור פרוטונים ונויטרונים, זכה לתיאור מתמטי. ועדיין, היעדר ההסבר לבעיית הדורות נשאר בעינו, ואי אפשר להתעלם ממנו. משום כך הציעו כמה פיזיקאים מודלים מתחרים, ובכללם מודל שבו הפראונים נושאים את מספר הדור וגם מטען חדש המכונה היפר-צבע, שקושר את הפראונים בתוך הקווארקים והלפטונים.

אף שתיארתי רק תיאוריה אחת של פראונים, אל תטעו לחשוב שהיא התיאוריה היחידה שנהגתה. עמיתיי התיאורטיקנים הם פיקחים מאוד ויצירתיים מאוד. נכתבו מאות מאמרים – פשוטו כמשמעו – עם הצעות של מודלי פראונים אחרים, אף שהמודלים האלה הם בדרך כלל גרסאות שונות הצומחות מתוך מספר קטן של רעיונות בסיסיים. בקצתם יש פראונים עם מטען 1/6, במקום ה-1/3 שבמודל של הררי ושופ. באחרים יש חמישה פראונים בקווארקים ובלפטונים במקום שישה. ויש עוד אחרים, שמציעים תערובת של פראוני פרמיונים ופראוני בוזונים, או שבמקרה של בוזונים תכולת הפראונים שונה ממה שהוצג בטבלה התחתונה בעמוד הקודם. למעשה, האפשרויות עשירות למדי. אנו, הפיזיקאים, זקוקים ליותר נתונים בשביל שנוכל לבור את הבר מן התבן.

לבד מן ההתפעמות המובנית במחשבה שפיסות החומר הקטנות ביותר הידועות עשויות להכיל חלקים עוד יותר קטנים, רבים מאתנו מתעניינים בפראונים מסיבה נוספת. אם הם קיימים, ייתכן שיוכלו ללמד אותנו משהו עמוק לגבי תעלומה בולטת אחרת בפיזיקת החלקיקים. המודל הסטנדרטי מניח ששדה היגס הוא המקור למסה של חלקיקי היסוד. חלקיקים בעלי מסה מרגישים כעין כוח גרר כשהם נעים ברחבי השדה הזה, הנוכח בכל המרחב, ואילו חלקיקים חסרי מסה כגון הפוטון מחליקים דרכו ללא הפרעה. אם הפראונים המרכיבים את הדור השני והשלישי זהים לפראונים המרכיבים את הדור הראשון, סביר להניח שיש משהו בפראונים המאפשר לחלקיקים מן הדורות הגבוהים יותר להגיב במידה רבה יותר עם שדה היגס מאשר חלקיקי הדור הראשון, וכך לקבל את המסה הגדולה יותר שלהם. אך על אף שמנגנון היגס יכול להסביר את המסות של החלקיקים, אין הוא יכול לחזות אותן.

עד שתומצא תיאוריה עמוקה יותר, אפשר לקבוע את המסה של חלקיקים תת-אטומיים רק באמצעות מדידתם, כל אחד לחוד. סביר להניח שעל ידי הבנת המבנה של קווארקים ולפטונים ומהו ההבדל בין הדורות, נוכל ללמוד הרבה יותר על מנגנון היגס.

מהמורות ועיקופים

עלי לציין שתיאוריית הפראונים אינה חפה מבעיות. ראשית לכול, כל המאמצים לראות פראונים בניסוי נכשלו. הכישלון הזה אמנם מאכזב, אבל הוא יכול לנבוע פשוט מן העובדה שהציוד שבידינו אינו מתאים. ואולם, גם אם נניח בצד את בעיות הניסוי, יש כמה דאגות מובנות בתיאוריה עצמה. אחד המאפיינים הטבעיים ב"תיאוריות הכליאה", המכונות כך בהקשר הזה מכיוון שהפראונים כלואים בתוך הקווארקים והלפטונים, הוא שהמסות הרלוונטיות עומדות ביחס הפוך לגודל הכלא. מכיוון שקווארקים ולפטונים הם קטנים הרבה יותר מפרוטונים, פירושו של הכלל הזה הוא שלקווארק העשוי מפראונים כלואים תהיה מסה הרבה יותר גדולה ממסתו של פרוטון, שהוא עצמו עשוי מקווארקים. הפרוטון השלם יהיה פחות מסך כל חלקיו – למעשה, פחות מכל אחד מחלקיו בעצמו.

אף על פי שהבעיה הזאת יכולה להיראות בלתי פתירה, הצליחו פיזיקאים לעקוף פלונטר דומה בהקשר של בוזונים. קווארק ואנטי-קווארק, למשל, יכולים ליצור יחדיו בוזון המכונה מֵזון פיי, שגם בו נדמה שחידת הכליאה יוצרת בעיה. ואולם, בעזרת רעיון שהותווה ב-1961 בידי ג'פרי גולדסטון, שעבד אז ב-CERN, הבינו התיאורטיקנים כבר לפני זמן רב שסימטריות בתיאוריה הבסיסית יוכלו להתגבר על הקושי הזה. לפיכך, קלותו של מזון פיי אינה באמת בגדר הפתעה. למרבה הצער, הגישה הזאת חלה אך ורק על בוזונים, ולא על פרמיונים כמו קווארקים למשל. אבל ב-1979 פיתח חרארד 'ט הופט מאוניברסיטת אוטרכט בהולנד גישה דומה, שמצליחה לפעול בפרמיונים. עדיין לא ברור אם הרעיון של 'ט הופט נתמך על ידי חלקיקים ממשיים, אבל הרעיונות שלו הראו לפחות שהמשוכה התיאורטית של מסות הקווארקים אינה מאיימת כפי שנראתה בתחילה.

פראונים אינם המסלול היחיד שאחריו תרו הפיזיקאים בתקווה לפתור את בעיית הדורות. חלופה בולטת אחרת היא רעיון מיתרי העל, ולפיו אבני הבניין היסודיות של החומר אינן חלקיקים תת-אטומיים אלא מיתרים זעירים ורוטטים. אפשר לדמות כל אחד מן החלקיקים שבמודל הסטנדרטי למיתר המנגן תו שונה, ואת כל המציאות לתזמורת של מיתרי-על המנגנים סימפוניה קוסמית כבירה. למרבה השמחה, פראונים ומיתרי-על יכולים לחיות בשלום זה לצד זה, מכיוון שסדר הגודל של מיתרי העל הוא קטן בהרבה מסדר הגודל של קווארקים ולפטונים. אם מיתרי-על קיימים, בהחלט ייתכן שהם אינם מרכיבים קווארקים ולפטונים אלא פראונים ואולי אפילו פרה-פראונים או פרה-פרה-פראונים, תלוי כמה קליפות בצל של חומר קיימות וטרם התגלו.

חלופה אחרת לרעיון הפראונים כחלקיקים רגילים שפשוט טרם נתגלו התפרסמה ב-2005, כשסאנדנס בילסון-תומפסון מאוניברסיטת אדלייד שבדרום אוסטרליה פיתח דרך לתאר פראונים בתור צמות מעוקלות של מרחב-זמן. המודל הזה עדיין בחיתוליו, אבל פיזיקאים חוקרים את ההשלכות שלו, ולו מכיוון שהוא מציע דרך אפשרית אחת לשלב את המודל הסטנדרטי עם תיאוריה קוונטית של כבידה שמחפשים אחריה זמן רב כל כך.

אין פראון כבעל ניסיון

פיזיקה היא, בסופו של דבר, מדע ניסויי. תהיה התיאוריה מחוכמת ככל שתהיה, אם אין היא מתאימה למדידות, היא שגויה. מה אפוא יכולים הנסיינים לעשות כדי לאשש או להפריך את קיומם של פראונים? המודל הסטנדרטי מתאר בהצלחה את הקווארקים, את הלפטונים ואת הבוזונים שביקום בלי לעורר את הצורך בפראונים. אם כך, הפיזיקאים צריכים לחפש סטיות קלות מן התחזיות של המודל הסטנדרטי – סדקים זעירים בהיכל הפיזיקה המודרנית. בייחוד, שני היבטים של המודל נראים כמו תחומים שיהיה מעניין לבחון ביתר עיון.

ההיבט הראשון הוא גודל. כאמור, המודל הסטנדרטי רואה בקווארקים ובלפטונים חלקיקים נקודתיים – כלומר, חלקיקים בעלי גודל אפס וללא כל מבנה פנימי. מציאת גודל שאיננו אפס בעבור החלקיקים האלה יספק ראיה רבת עוצמה לקיומם של פראונים. מדידות הראו שהרדיוס של פרוטונים ונויטרונים הוא בערך 10-15 מטר. ניסויים שנערכו במאיצי החלקיקים המובילים בעולם, בעבר ובהווה, חיפשו אחר ראיה לכך שגם לקווארקים או ללפטונים יש גודל בר-מדידה. עד כה כל הנתונים מראים התאמה מושלמת לגודל אפס או לגודל שאיננו אפס אך קטן פי 0.0002 עד 0.001 מגודלו של פרוטון. כדי להבדיל בין שתי האפשרויות האלה (גודל אפס או גודל זעיר ממש), עלינו לערוך מדידות מדויקות עוד יותר. מאיץ ההדרונים הגדול, ה-LHC, הוא מכונת תגליות ובזכות שפע הנתונים האדיר שצפוי להגיע מתוך ההתנגשויות הנוכחיות שמתחוללות בו ובזכות השדרוג המתוכנן באנרגיית המאיץ אנו יכולים לקוות שנלמד יותר על גודלם של קווארקים ולפטונים.

דרך אחרת להוכיח את קיומו של תת-מבנה חלקיקי – לכל הפחות בעבור לפטונים – היא לחקור את המושגים הקרובים מאוד זה לזה, ספין ומומנט מגנטי. אם ניטול לעצמנו מעט מחירות המשורר, נוכל לתאר אלקטרון ככדור מסתחרר, והפיזיקאים מכמתים את התכונה הזאת בעזרת מספר קוונטי הקרוי ספין. לאלקטרון, כמו לכל הפרמיונים, יש ספין ½. מכיוון שיש לאלקטרון מטען חשמלי, השילוב של סחרור ("ספין") ושל מטען מעניק לו מומנט מגנטי – אין זו אלא דרך מפולפלת לומר שהוא הופך את האלקטרון למגנט בעל קוטב צפוני וקוטב דרומי. אם נניח שלפטון הוא חלקיק נקודתי עם ספין ½, עליו להיות בעל מומנט מגנטי יחיד ומסוים. לכן, אם יתברר שמדידה של האלקטרון או המיואון מראה מומנט מגנטי שונה מן התחזית, תוצאה כזו תהיה ראיה חזקה לכך שהחלקיקים האלה אינם נקודתיים ולפיכך ייתכן שהם מורכבים מפראונים.

זה זמן רב יודעים פיזיקאים שהמומנטים המגנטיים, הן של האלקטרון והן של המיואון, סוטים במקצת מן המומנט של חלקיק נקודתי. עם זאת, ההבדל הקטן הזה אינו קשור לפראונים, ואפשר להסביר אותו במסגרת המודל הסטנדרטי. כל לפטון מוקף בענן ערפילי של חלקיקים המכונים חלקיקים וירטואליים, הצצים יש מאין ושבים אל האין. מכיוון שלענן הזה יש גודל, הוא משנה את המומנט המגנטי של הלפטון במידה זעירה מאוד – בשיעור של חלק אחד מתוך 1,000 בערך. ההשפעות של פראונים עשויות להיות קטנות אף יותר, אבל יהיה אפשר לזהות אותן. מדידות חדשות הנראות באופק, בניסוי g-2 של המיואון בפרמילב, יהיו מדויקות יותר מפי ארבעה מן המדידות שהושגו עד כה.

כמו כן, פיזיקאים חפרו בנתוני מאיצים בחיפוש אחר התפרקויות חלקיקים שאפשר לצפות שיתרחשו אם פראונים קיימים ואם הדורות הגבוהים יותר של חלקיקים אינם אלא מצבים מעוררים של הדור הראשון. אחד התהליכים האלה הוא מיואון המתפרק לאלקטרון ולפוטון. התפרקות כזאת טרם נצפתה, ואם היא בכלל נוצרת – היא מתרחשת בפחות מפעם אחת מתוך 100 מיליארד.

כל מדידה ישירה שנערכה עד כה עולה בקנה אחד עם ההשערה שהקווארקים והלפטונים הם אכן נקודתיים, עם ספין ½. לפיזיקאים מביננו הסבורים שהדורות הנצפים של החלקיקים התת-אטומיים הם רמז מטלטל לנוכחותה של פיזיקה שטרם נתגלתה – עשרות השנים האחרונות היו מתסכלות. אולם כעת יש לנו הזדמנויות של ממש לחקור טריטוריות חדשות.

ב-2011, הטיח ה-LHC זו בזו קרני פרוטונים באנרגיה של 7 ביליון אלקטרון וולט (7 TeV), פי 3.5 יותר מן השיא העולמי הקודם (שהטוואטרון של פרמילב החזיק בו במשך יותר מרבע מאה). במהלך אותה שנה יחידה, כמות נתוני ההתנגשויות שהפיק ה-LHC הגיעה למחצית כמות הנתונים שהפיק הטוואטרון במשך כל 28 שנות פעילותו. ב-2012 העלתה CERN את אנרגיית ה-LHC ל-8 TeV, בציפייה להגדיל פי ארבעה את אוסף הנתונים לפני הכיבוי הזמני היזום שיארך שנה וחצי לצורך עריכת תיקונים ושיפורים. לאחר מכן יחזור ה-LHC לפעילות בשלהי 2014 או בתחילת 2015, ויטיח אלו באלו קרני פרוטונים באנרגיות של TeV13-14 ובקצב הרבה יותר מהיר.

העלייה הצנועה באנרגיה מ-2012 עשויה להיראות כמו התאמה שולית (או כוונון שולי של המכשור), אבל היא תהיה רבת משמעות למחפשי הפראונים. השינוי הקטן באנרגיית הקרן יגדיל פי חמישה את מספר ההתנגשויות שתועדו באנרגיות הגבוהות ביותר, השולחות מבט לנבכי הגדלים הזעירים ביותר והן בדיוק סוג המאורעות שאנו מחפשים כדי לסרוק אחר ראיות לקיומם של פראונים. השדרוגים המתוכננים לשנים 2014 ו-2015 יספקו עלייה עוצרת נשימה ביכולות.

בנוסף ל-LHC, תכנית המחקר של פרמילב עוברת ארגון יסודי מחדש, העתיד לכלול יכולת חדשה לחפש אחר ראיה ישירה לפראונים. מאז שהטוואטרון פרש מפעילות ב-2011, המאיצים של פרמילב כבר אינם בחזית האנרגיה של פיזיקת החלקיקים. במקום זאת, פרמילב חותרת לקדם את חזית העוצמה, וחוקרת תופעות נדירות בדיוק חסר תקדים. שניים מן הניסויים הרלוונטיים ביותר לחיפוש אחר פראונים ימדדו את המומנט המגנטי של המיואון ויחפשו אחר מיואונים ברגע שהם מתפרקים לאלקטרון ולפוטון.

עתידו של המצוד אחר המבנה שבתוככי הקווארקים והלפטונים זוהר יותר ממה שהיה זה זמן רב. בשעה שאתם קוראים את המאמר הזה, עמיתיי ואני סורקים את הררי הנתונים של ה-LHC שכבר סופקו. אנו מחפשים אחר ראיה שלקווארקים וללפטונים יש גודל שאינו אפס. אנו מחפשים אחר דור רביעי של קווארקים ולפטונים ואחר ראיה כלשהי שגם לחלקיקים נושאי הכוח יש דורות – שלבוזוני ה-Z וה-W, שמתווכים בתהליכים של הכוח הגרעיני החלש, יש דודנים כבדים יותר.

השנים הקרובות יהיו אות לתחילתה של גיחה חדשה לתוך הממלכה התת-אטומית, מסע שכמוהו ערכו מדענים בפעם האחרונה לפני יותר מ-25 שנה, כשהחל הטוואטרון לפעול. כאותם הרפתקנים עשויים ללא חת משנים עברו, חותרים הפיזיקאים קדימה, כובשים שביל במרחבי ארצות השממה הקוונטיות.

לקריאה נוספת

• A Composite Model of Leptons and Quarks. Michael A. Shupe in Physics Letters B, Vol. 86, No. 1, pages 87–92; September 10, 1979
• A Schematic Model of Quarks and Leptons. Haim Harari in Physics Letters B, Vol. 86, No. 1, pages 83–86; September 10, 1979
• Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects.Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman. World Scientific Publishing, 1992
• The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. Don Lincoln. Johns Hopkins Univer­sity Press, 2009
• גרסה אינטראקטיבית של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים