גרעין האטום הוא מקום יוצא דופן. ידוע שהוא מכיל פרוטונים וניוטרונים. חלקיקים אלה, או
מסתורי האינטראקציה החזקה, אשרקובע את תנועת החלקיקים הללו, מאלץ מדענים לחפש דרכים חדשות להסתכל בתוך האטום כדי להבין מה קורה שם. פיזיקאים המציאו שיטה חדשה המשתמשת באטומי מראה וגילו כי פרוטונים מתנגשים עם הפרוטונים האחרים שלהם, וניוטרונים עם חבריהם הנייטרונים, לעתים קרובות יותר מהצפוי.
מהי אינטראקציה חזקה?
הכוח הגרעיני החזק הוא אחד מהםאינטראקציות בסיסיות יחד עם כוח המשיכה, אלקטרומגנטיות והאינטראקציה החלשה. עדיף ללמוד אותו ברמה הקוונטית. האינטראקציה בין קווארקים (חלקיקים אלמנטריים המרכיבים את החומר) לגלואונים (נשאים חסרי מסה של האינטראקציה החזקה) מתוארת על ידי כרומודינמיקה קוונטית.
מדענים מאמינים שכל קווארק הואנושאת מטען קוונטי מסוים. זה נקרא צבע, למרות שזהו מונח קונבנציונלי שאין לו שום קשר לתכונות אופטיות. בנוסף, יש לו וקטור מצב מוגדר במרחב צבע תלת מימדי מורכב.
האינטראקציה החזקה היא תהליך שבוהקווארקים מחליפים מטען (צבע) הנישא על ידי הגלואון. בניגוד לפוטון באינטראקציה אלקטרומגנטית, שהוא ייחודי ואין לו מטען משלו, כל גלואון נושא צבע מסוים. חוקרים מזהים שמונה סוגים של חלקיקים כאלה עם מטענים שונים.
תכנית של אינטראקציה חזקה. תמונה: Manishearth, CC BY-SA 3.0, באמצעות Wikimedia Commons
כפי שהשם מרמז, הכוח החזק הואהחזק ביותר, אבל הוא פועל רק במרחקים קצרים, השווים לגודלו של גרעין אטום ופחות. תכונה מדהימה של אינטראקציה זו היא שככל שהמרחק בין הקווארקים גדל, הוא גדל, וככל שהוא פוחת, הוא נחלש.
השפעה זו גורמת לכליאה - נעילת קווארקים בתוך האדרונים (חלקיקים מורכבים). לכן, קווארק לא יכול להתקיים בחלל פנוי, אלא רק כחלק מחלקיקים מורכבים יותר.
שיבוש האינטראקציה בין שני קווארקים תחת פעולת האנרגיה מוביל להולדת זוג חדש של קווארקים ואנטי-קווארקים. אנימציה: Manishearth, CC BY-SA 3.0, באמצעות Wikimedia Commons
למרות שהכוח החזק הוא התיאוריה המפותחת ביותר בפיזיקה של החלקיקים, קשה מאוד לחשב את האינטראקציות של חלקיקים מורכבים כגון האדרונים ונוקלאון (פרוטונים וניוטרונים).
כיצד נמדדת האינטראקציה של נוקלונים?
מודל מותנה של אטום (משמאל) והליום-4 (מימין). צבע אפור הוא ענן האלקטרונים, התמונה המוגדלת מציגה את הגרעין. תמונה ימנית: משתמש: Yzmo, CC BY-SA 3.0, באמצעות ויקימדיה
גרעיני אטום מתוארים לעתים קרובות כצפופיםצבירים של פרוטונים וניוטרונים דבוקים זה לזה, אבל למעשה הגרעינים האלה מסתובבים כל הזמן זה סביב זה. במקביל, הם מתנגשים ומתפזרים שוב, אבל על "הרצועה האלסטית" של אינטראקציה חזקה הם חוזרים בחזרה. ברוב הגרעינים, מדענים מעריכים שגרעינים מבלים כ-20% מחייהם במצבי התרגשות גבוהים הנגרמים מההתנגשויות הללו.
הפרשנות הנכונה של הסט של פיזיניסויים, כמו אלה שנערכו במאיץ האדרון הגדול ומאיצי חלקיקים אחרים, תלויים באיזו מידה מדענים מבינים התנגשויות כאלה.
כדי ללמוד אותם, פיזיקאים עובדים עלגרעיני אטום עם אלומות של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. אם אתה מודד באיזו אנרגיה ובאיזה כיוון אלקטרון התחיל לנוע כשהתנגש בפרוטון טעון חיובי של גרעין אטום, תוכל לקבוע באיזו מהירות הוא נע.
בנוסף, לאלקטרון טעון מאוד ישמומנטום מספיק כדי לשבור את האינטראקציה החזקה ולהפיל את הפרוטון ה"נרגש" מגרעין האטום. בתהליך ניתוק הקשר, במספר מקרים, נזרקת אחריו "בת זוגו" - החלקיק איתו נתקל לאחרונה ומקושר באינטראקציה חזקה.
בניסויים קלאסיים, פיזיקאים משתמשיםספירת זוגות "נפלטים" כאלה של שני פרוטונים, או פרוטון ונויטרון, כדי לקבוע כיצד הנוקלונים מתקשרים באטומים של הגרעין. ניסויים שבהם גרעינים של אטומים שונים מפחמן עם 12 נוקלונים ועד עופרת עם 208 הוקרנו באלקטרונים הראו בערך את אותה התפלגות: כמעט 95% מכל ההתנגשויות מתרחשות בזוגות פרוטון-נייטרונים, ו-5% הן אינטראקציות בין נוקלונים זהים.
החיסרון של שיטה זו הוא שכזההתנגשויות מדויקות שבהן שני החלקיקים נפלטים מהגרעין הן נדירות למדי, וגורמים אחרים יכולים להשפיע על חלקיקים באטומים. לכן, המדידות מכילות מעט נתונים, ולתוצאות יש שגיאה גבוהה.
מה הראה הניסוי עם גרעיני מראה?
כדי לעקוף את המגבלה הזו, המדענים הביאושיטה חדשה. הם החליטו להקרין גרעיני אטום "מראה". לאטום של הליום-3 (איזוטופ יציב של הליום) יש מספר זהה של נוקלונים כמו טריטיום (איזוטופ של מימן). אבל אם במקרה הראשון הגרעין מורכב משני פרוטונים ונייטרון אחד, הרי שבמקרה השני הכל בדיוק הפוך.
מדענים הבינו שאם כל אחד מאלהאטומים, אז ההבדל בקבוצות הגרעינים יעזור לקבוע בצורה מדויקת יותר כיצד פרוטונים וניוטרונים של גרעיני אטום מתקשרים זה עם זה. בניסוי החדש, ניתן היה לאסוף הרבה יותר נתונים מאשר בקודמים, מכיוון שהניתוח לא דרש אירועי צירוף מקרים משולשים נדירים, כאשר שני החלקיקים הנרגשים עפו מהגרעין; אפילו אחד הספיק.
החוקרים מדווחים כי השיטה החדשה גדלהדיוק מדידה 10 פעמים. עם זאת, הם לא ציפו שיחסי הגומלין של נוקלונים באטומים פשוטים יהיו שונים מאוד מהמורכבים שנבדקו בניסויים קודמים.
במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העתטבע, פיזיקאים מדווחים ששיעור האינטראקציות בין חלקיקים זהים (התנגשויות פרוטון-פרוטון וניוטרונים-נייטרון) התברר כהרבה יותר גבוה: הוא כ-20%.
רצינו לבצע מדידות מדויקות יותר באופן משמעותי, אבל לא ציפינו שהן יהיו שונות מאוד.
ג'ון ארינגטון, חוקר מעבדת ברקלי ומחבר שותף של מאמר חדש
מה הלאה?
חוקרים מאמינים כי ההבדל בניתן להסביר את האינטראקציה של חלקיקים במדויק על ידי גודל הגרעינים. תהליכי הפיזור העיקריים - שינויים בכיוון התנועה של חלקיקים בעת התנגשות באחרים - מתרחשים עם זוגות של פרוטונים וניוטרונים, אמר ארינגטון. אבל במהלך ההקרנה, ישנן סיבות נוספות שיכולות לגרום לפיזור ולהשפיע על כל סוגי הנוקלונים.
לדוגמה, הם עשויים להיות תלויים במרחק ביניהםחלקיקים גדולים יותר בגרעינים קלים מאשר בכבדים. כדי לאשש השערה זו או למצוא הסבר חלופי, מדענים מתכננים לערוך ניסויים דומים עם אטומי אור אחרים.
הבנת העקרונות האחראים לאינטראקציהלחלקיקים מרוכבים יש עניין לא רק תיאורטי אלא גם מעשי. פרטים אלו חשובים לניתוח נתונים בניסויים בעלי אנרגיה גבוהה על קווארקים, גלוונים וחלקיקים יסודיים אחרים כגון ניטרינו. בנוסף, תהליכים אלו הם שמסבירים את האינטראקציה של נוקלונים היוצרים כוכבי נויטרונים.
קרא עוד:
התמונות הראשונות של החלק התת-קרקעי של מאדים הפתיעו את המדענים
גלקסיה הממוקמת במרחק של 12 מיליארד שנות אור מכדור הארץ 'התכרבלה' לטבעת איינשטיין
צמח על מאדים מייצר חמצן בקצב של עץ ממוצע