קווארקים – אבני הבניין היסודיות של הטבע

כתב: רן לוי

אחד העקרונות המנחים את המדענים בבואם לחקור את צפונותיו של הטבע הוא האסתטיקה. למי שלא מגיע מרקע של מדעים מדוייקים, המשפט האחרון נשמע משונה: מה למדע ולאסתטיקה? הרי מדענים לא בדיוק נודעים בחוש אופנתי מפותח. מספרים על אלברט איינשטיין שכשעבד במשרד הפטנטים, אשתו ניסתה לשכנע אותו שיתלבש בצורה מכובדת יותר. 'בשביל מה?' הוא השיב לה, 'כולם מכירים אותי שם.' שנים מאוחר יותר, כשעמד להרצות בפעם הראשונה בכנס מדעי מכובד, היא שוב ניסתה לשכנע אותו שיתלבש יפה. 'בשביל מה? אף אחד לא מכיר אותי שם…'

אז מה למדע ולאסתטיקה? הקשר ישנו, והוא אפילו קשר עמוק. רבות מהתיאוריות המדעיות, בתחומים רבים, ניחנות ביופי פנימי שקשה להסביר אותו- באותו האופן שבו קשה להסביר במילים מדוע יצירה מוזיקלית או ציור יפים. אסתטיקה היא גם חלק מהסיבה לחתירה הבלתי פוסקת של הפיזיקאים לחשוף את אבני הבניין היסודיות של הטבע, את החלקיקים הבסיסיים שמרכיבים את החומר. אם נגלה את החלקיקים הבסיסיים, ייתכן ונצליח להסביר תופעות טבע מורכבות ומסובכות באמצעות מספר כללים פשוטים, כמו שבנאים מסוגלים לבנות בניין יפה ומסוגנן מלבנים פשוטות וזהות.

מבנה האטום

הניסיון לפענח את מבנה החומר החל עוד בימי יוון העתיקה, אך הגיע לשיאו בעשורים הראשונים של המאה העשרים. בעזרת טכנולוגיות מתקדמות לאותה התקופה כגון חשמל, מגנטיות ורדיואקטיביות הצליחו חוקרים כמו ג'י ג'י תומסון וארנסט רותרפורד לחשוף את מבנה הפנימי של האטום, ופיזיקאים תאורטיים כנילס בוהר ניסחו כללים מתמטיים ששולטים בהתנהגותם של החלקיקים המרכיבים אותו.

בשנות השלושים של המאה העשרים, הפיזיקאים ידעו הכול. טוב, זו הגזמה כמובן, לעולם לא נדע הכול – אך התחושה ששררה בקרב המדענים הייתה שיש להם תמונה שלמה וברורה למדי של מבנה האטום. גרעין האטום מורכב מפרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי וניוטרונים חסרי מטען. את הגרעין מקיפים אלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי, המסודרים בשכבות בדומה לקליפות בצל. מבנה עקרוני זה, לצד העקרונות והחוקים שהתוותה תורת הקוונטים, הסבירו בהצלחה תופעות כימיות ופיזיקליות רבות ומגוונות. פה ושם נותרו עדיין שאלות בלתי פתורות, אך התחושה הייתה שתמונת העולם שתארתי מדויקת ונכונה ורק חסרים פרטים קטנים פה ושם כדי להשלים אותה. אך השטן, כמאמר הקלישאה, נמצא בפרטים הקטנים – ובמקרה זה, אפילו בקטנים מאוד.

משוואת דירק

בשנת 1928 הצליח הפיזיקאי הבריטי פול דיראק (Dirac) למצוא משוואה מתמטית המתארת את תכונות האלקטרון בדיוק רב. משוואת דירק נחשבה למוצלחת במיוחד כיוון ששילבה את שתי התאוריות המובילות באותה התקופה: תורת הקוונטים ותורת היחסות.

זמן לא רב לאחר מכן הבחין דירק בעובדה משונה ובלתי צפויה. כשפותרים את המשוואה, מקבלים חלקיק בעל תכונות דומות לאלקטרון: אותה מאסה ואותו מטען חשמלי שלילי. אך למשוואה יש פיתרון נוסף: פיתרון המתאר חלקיק שמאסתו זהה לזו של האלקטרון, אך המטען החשמלי שלו חיובי – דהיינו, תמונת מראה של האלקטרון, או במילים אחרות: אנטי-אלקטרון. האנטי-אלקטרון, או 'פוזיטרון' בשמו האחר, היה בשלב זה עדיין בגדר אפשרות תאורטית בלבד, קוריוז מסקרן ותו לא.

פאולי והניוטרינו

קוריוז מסקרן נוסף נתגלה שנים ספורות לאחר מכן. 'התפרקות בטא' (Beta Decay) הוא שמו של תהליך טבעי שבו גרעין של אטום רדיואקטיבי מתפרק ופולט אלקטרון. מדענים שחקרו את התפרקות הבטא הבחינו באנומליה מסקרנת: כמות האנרגיה שהכיל האלקטרון הנפלט בזמן ההתפרקות אינה קבועה, אלא משתנה מניסוי לניסוי. החוקרים גירדו בראשם: כיצד ייתכן שהתפרקות של אותו סוג גרעין תגרום בכל פעם לפליטת אלקטרון בעל אנרגיה שונה?

בשנת 1931 הציע האוסטרי וולפגנג פאולי (Pauli) פיתרון אפשרי לתעלומה: בזמן ההתפרקות נפלט חלקיק נוסף אשר משלים את האנרגיה החסרה. סך כל האנרגיה הנפלטת בזמן התפרקות בטא נשארת קבועה, ומה שמשתנה היא התפלגות האנרגיה בין שני החלקיקים: לעיתים האלקטרון הוא זה שמכיל אנרגיה רבה, ולעיתים החלקיק השני. החלקיק ההיפוטתי קיבל את השם 'ניוטרינו' – אך מעטים בקהילה המדעית הסכימו עם השערתו של פאולי. בכל הניסויים שנעשו עד אז איש לא מדד ולא גילה אף לא רמז לקיומו של הניוטרינו. פאולי שלח את המאמר שכתב למגזין היוקרתי Nature, שדחה אותו בטענה כי הוא 'ספקולטיבי' מדי.

על אף הרמזים המסקרנים שהעלו דיראק ופאולי, הייתה עדיין תמימות דעים בקרב המדענים שהמודל המקובל של פרוטון, ניוטרון ואלקטרון כאבני הבניין היסודיות של הטבע איתן ויציב. כל זאת השתנה באופן דרמטי בעקבות קפיצת מדרגה בטכנולוגיית מאיצי החלקיקים.

ארנסט לורנס והציקלוטרון

מהו 'מאיץ חלקיקים?' ובכן, אחת הדרכים המקובלות לחקור את המתרחש בעולם התת-אטומי, עוד מימיה הראשונים של הפיזיקה המודרנית, הייתה להטיח פרוטונים, אלקטרונים או אפילו אטומים שלמים זה בזה ולראות מה יקרה. קשה לומר על הטכניקה הזו שהיא 'אלגנטית' במיוחד: מישהו השווה אותה פעם לניסיון להבין כיצד עובד שעון על ידי ריסוק שני שעונים זה בזה ובחינת השאריות… אבל עם הצלחה אי אפשר להתווכח. בזמן ההתנגשות ניתזים החלקיקים השונים זה מזה כמו גיצים מזיקוקי דינור, ובאמצעות ניתוח מסלול תנועתם ניתן להסיק באופן מדויק למדי את המאסה שלהם, מטענם החשמלי ותכונות נוספות.

השאלה המתבקשת היא כיצד ניתן לקחת חלקיק כלשהו, להאיץ אותו ולכוון אותו כך שיפגע בחלקיק אחר. הרי אי אפשר לתפוס אלקטרון או פרוטון ולהשליך אותו כמו כדור בייסבול… חוקרים בתחילת המאה העשרים, כמו ארנסט רותרפוד, ניצלו את התהליך הטבעי של התפרקות רדיואקטיבית שבמהלכו נורים מתוך הגרעין המתפרק פרוטונים ואלקטרונים. החלקיקים הנפלטים היו פוגעים במטרה נייחת, למשל יריעת זהב, וניתזים או מוסטים בעקבות הפגיעה. שיטה זו היתה קלה יחסית ליישום ובעזרתה נתגלה דבר קיומו של גרעין האטום, למשל. לניצול הרדיואקטיביות היה חיסרון ברור, והוא העובדה שלא ניתן לשלוט עליה ולכן הניסויים לא היו מבוקרים באופן הדוק. בנוסף, מהירותם של החלקיקים הנפלטים בזמן התפרקות רדיואקטיבית אינה גבוהה במיוחד.

השלב הבא בהתפתחות הטכנולוגיה של האצת חלקיקים היה ניצול כוחו של החשמל. הפרוטון, למשל, הוא בעל מטען חשמלי חיובי. אם נציב מולו אלקטרודה בעלת מתח שלילי, הפרוטון יימשך ויאיץ לעברה. באמצעות קביעת עצמת המתח החשמלי על האלקטרודה ניתן לשלוט באופן הדוק על מהירותו של החלקיק המואץ ועל כיוון תנועתו. טכניקה זו, המכונה 'האצה אלקטרו-סטטית', אפשרה לחוקרים להביא את החלקיקים למהירויות גבוהות יותר ובתנאים מבוקרים, אך בסופו של דבר הייתה בעלת יעילות מוגבלת. כדי להאיץ את החלקיקים למהירות גבוהה יותר, יש להעלות את המתח על האלקטרודה – אבל קשה, מבחינה מעשית, ליצור מתחים של מאות אלפי או מיליוני וולטים. זאת, בנוסף לסיכון הבטיחותי שבעבודה עם מתחים כה גבוהים, הגבילו את המהירות המירבית שאליה הייתה יכולה ההאצה האלקטרו-סטטית להביא את החלקיקים.

ארנסט לורנס נולד בארצות הברית בשנת 1901. הוא הצטרף לעולם האקדמאי של הפיזיקה בשנות העשרים, תקופה מוצלחת במיוחד. איינשטיין, נילס בוהר ומדענים אחרים פיתחו את תורת היחסות ותורת הקוונטים ושכללו אותן. הצלחות אלה דירבנו את ממשלת ארצות הברית להשקיע בקידום המדע. על אף שהיה בקיא גם בעקרונות התאורטיים, לורנס היה ביסודו פיזיקאי ניסויי והצטיין בניהול ניסויים מתוחכמים. כישוריו בתחום זה משכו את תשומת לב אוניברסיטאות שונות בארצות הברית שנלחמו זו בזו והציעו לו הצעות מפתות כדי למשוך אותו אליהן. מי שזכתה בלורנס, בסופו של דבר, הייתה אוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה, והיא העניקה לו משרת פרופסור מן המניין בגיל 29 בלבד.

בברקלי מיקד לורנס את מאמציו בשיפור הטכניקות להאצת חלקיקים. בשנת 1929 נתקל לורנס במאמר של מהנדס נורבגי בשם רולף ווידרו (Wideroe) שהציע דרך מעניינת לשפר את המאיצים האלקטרו-סטטיים. במקום אלקטרודה אחת שמושכת אליה את החלקיקים, הציע רולף להשתמש בשתי אלקטרודות ועליהן מתח חשמלי הפוך: החלקיק יימשך אל אלקטרודה אחת, ויידחה מהשניה- כמו רכבת שיש לה קטר אחד שמושך את הקרונות מקדימה, וקטר נוסף שדוחף אותם מאחור. לורנס אהב את הרעיון העקרוני של רולף, אך לקח אותו צעד אחד קדימה.

נניח, לשם ההסבר, שאתם בגן השעשועים וילדכם מבקש שתסובבו אותו על הקרוסלה. קבלו טיפ מהורה מנוסה: אל תשבו עם הילד בקרוסלה. אינני יודע מה קורה לתעלות שיווי המשקל שלנו כשאנחנו מזדקנים, אבל מה שבטוח הוא שאחרי שלושה סיבובים הילד יהיה עליז ושמח ואתם תהיו ברגל וחצי במיון. דרך אחת לסובב את הקרוסלה היא לאחוז בה ולצעוד לצדה במעגל – אבל מהירות הסיבוב בשיטה זו מוגבלת, כמובן, למהירות ההליכה של ההורה. זו האנלוגיה להאצה אלקטרו-סטטית, שמושכת את החלקיק בכוח קבוע. הדרך האחרת והחכמה יותר היא לעמוד במקום ולהעניק לקרוסלה דחיפות קצרות ומהירות, כך שבכל סיבוב מהירותה תואץ עוד ועוד. אבא מיומן ונחוש יכול בשיטה זו להביא את הילד שלו לתשע ג'י וללא מאמץ רב.

שיטה זו היא הדרך העקרונית שבה פעל גם מאיץ החלקיקים שפיתח לורנס: למעשה, הוא כינה את המאיץ בשם החיבה 'קרוסלת החלקיקים שלי'. השם הרשמי היה 'ציקלוטרון' (Cyclotron).

המאיץ היה מבוסס על רעיונותיו של רולף הנוורגי: שתי אלקטרודות, אחת דוחפת ואחת מושכת, בתוספת שדה מגנטי ביניהן. כשחלקיק בעל מטען חשמלי, למשל פרוטון או אלקטרון, נע בתוך שדה מגנטי הוא אינו נע בקו ישר, אלא מסתובב במעגלים, כמו על קרוסלה בלתי נראית. לורנס תכנן את המאיץ כך שבכל פעם שהשלים החלקיק סיבוב שלם, האלקטרודות העניקו לו דחיפה מחודשת. באופן זה אפשר היה להאיץ את החלקיקים באופן הדרגתי ולאורך זמן, דבר שאיפשר להם להגיע למהירויות גבוהות יותר מאי פעם.

'גן חיות של חלקיקים'

המדענים נעזרו בציקלוטרון של לורנס כדי לירות פרוטונים ואלקטרונים במהירות אדירה לעבר אטומים נייחים. הם ציפו למטר של פרוטונים, ניוטרונים ואלקטרונים שייתנזו לכל עבר כתוצאה מההתנגשות- אך הוכו בתדהמה כשההתנגשויות הפיקו שטף קצף של חלקיקים חדשים ובלתי מוכרים. חלק מהחלקיקים החדשים נוצרו ברגע ההתנגשות ממש, ואחרים נוצרו כשהחלקיקים הטריים שאך נוצרו התפרקו בעצמם לחלקיקים נוספים. הפיזיקאים החלו לתת שמות לכל החלקיקים החדשים – רו מזון, דלתא בריון, פיון, אפסילון, קאון, פסי… אבל מהר מאד החלו מאבדים את הידיים והרגליים. בתוך שנים ספורות נתגלו למעלה מ-150 חלקיקים תת-אטומיים חדשים. חלקיקים רבים כל כך, עד שהפיזיקאים בייאושם כינו את המצב החדש 'גן חיות של חלקיקים'. וולפגנג פאולי טען שלו ידע שכך יהיה, היה הולך ללמוד בוטניקה…

עבור הפיסיקאים, מצב זה של 'גן חיות של חלקיקים' היה בלתי נסבל – ולא רק בגלל שהם אינם אוהבים ללמוד בעל פה שמות של מאות חלקיקים. כפי שסיפרתי בפתיח הפרק, הפיסיקאים מודדים את התיאוריות שלהם גם במונחים של אסתטיקה, ואין בדל של יופי בערב רב של חלקיקים שנדמה שאינם קשורים זה לזה באופן כלשהו. אין פלא שבשנות החמישים והשישים עסקו מדענים רבים בניסיון לאתר חוקיות וסדר בחלקיקים החדשים.

מורי גל-מן ו'דרך השמיניה'

מורי גל-מן (Gell-Mann) נולד ב-1929, השנה שבה קרסה וול-סטריט והכלכלה האמריקנית שקעה לתוך אחד מהמשברים הכלכליים החמורים בתולדותיה. על אף שהיה רק תינוק, לארוע זה הייתה השפעה ניכרת על עתידו של מורי. מורי היה בן למשפחת מהגרים יהודית מאירופה. כבר בבית הספר היסודי אובחן כמחונן באופן יוצא דופן, וקפץ שלוש כיתות. בגיל 15 נרשם ללימודים באוניברסיטת ייל (Yale) היוקרתית.

אהבתו של גל-מן לא הייתה נתונה למדעי הטבע, אלא דווקא להיסטוריה ולאטימולוגיה, חקר המילים והלשון. הוא התכוון ללמוד את הנושאים האלה גם ב-Yale, אך אביו לא היה מוכן לשמוע על כך. אביו של גל-מן היה בעצמו מורה לשפות, אך בקריסה הגדולה של 1929 איבד את כל רכושו כמעט והמשפחה נותרה חסרת כל. האירוע הזה נצרב בזכרון האב, והוא חשש שאם מורי יילמד מקצוע הומני, היסטוריה למשל, הוא ייגווע ברעב. הוא עמד בתוקף על כך שמורי חייב לבחור בלימודי הנדסה.

מורי לא רצה להיות מהנדס. הוא היה טוב בתאוריות, אבל גרוע בעבודת עם הידיים. גם היועץ הפדגוגי של ייל, שערך לו מבחני התאמה שונים, הסכים עמו בפה מלא. בסופו של דבר הסכים אביו לוותר על ההנדסה, אבל הציע למורי לפנות אל הפיסיקה. מהיכרותו את בנו, הוא חשב שמורי יימשך אל היופי המופשט והמינימליסטי של מדעי הטבע.

הוא צדק. מורי התאהב בפיסיקה, והחליט להפוך אותה למושא הקריירה שלו. אך כשסיים את לימודי התואר הראשון בייל, בשנת 1948, התאכזב לגלות שאוניברסיטאות מובילות בארצות הברית אינן מוכנות להעניק לו מלגה ללימודים מתקדמים. האוניברסיטה היחידה שהסכימה הייתה אוניברסיטת MIT שבבוסטון. כיום נחשבת MIT לאחת האוניברסיטאות הטכנולוגיות הטובות בעולם, אך באותם הימים המוניטין שלה היה נחות בהרבה. מורי המאוכזב תיאר את תחושותיו באותם הימים בהומור האופייני לו:

"הייתי ממש מבואס מזה שהייתי חייב ללכת ל-MIT שנראתה לי מרופטת ועגומה ביחס לייל. חשבתי להתאבד, אבל אז החלטתי שאני תמיד יכול לנסות את MIT קודם ואז להרוג את עצמי אם היא תהייה עד כדי כך גרוע – אבל אני לא יכול להתאבד ואז לנסות את MIT… כשהגעתי ל-MIT בסתיו, גיליתי שבעצם מדובר במקום די נעים, וסטודנטים נחמדים."

אחרי MIT עבר מורי לפרינסטון, משם לשיקגו ולבסוף למכללת Caltech שבקליפורניה, שם עסק בחקר עולמם העשיר של החלקיקים התת-אטומיים. בתוך זמן קצר זכה למוניטין של פיזיקאי משכמו ומעלה, או כפי שהגדיר זאת אחד מעמיתיו: 'למורי אין כישרון מיוחד לפיזיקה, אבל הוא כל כך חכם שהוא פיזיקאי גדול בכל זאת.'

פריצת הדרך המשמעותית הראשונה שלו אירעה בשנת 1961. כשבחן מורי את תוצאות הניסויים שנערכו במאיצי חלקיקים, הוא הבין שכדי לתאר את התנהגותם של החלקיקים הרבים שנוצרו בהם לא די בתכונות המוכרות שלהם כמו מטען חשמלי, מאסה וכו'. הוא החליט להגדיר תכונה חדשה, ונתן לה את השם 'מוזרות' (Strangness). אין טעם להכנס לפרשנות הפיזיקלית של המוזרות במסגרת הפודקאסט: די אם נאמר שניתן להבדיל בין שני חלקיקים בעלי מוזרות שונה זו מזו, באותו האופן שניתן להבחין בין שני חלקיקים בעלי מטען חשמלי שונה. בסיועה של תכונת המוזרות, הצליח מורי למצוא דרך חדשה לארגן את החלקיקים הרבים למעין 'טבלה מחזורית' של חלקיקים יסודיים, שבהן כל שמונה חלקיקים מהווים מעין 'משפחה' בעלת תכונות דומות. מורי כינה את שיטת הסיווג החדשנית בשם The Eightfold Way (דרך השמינייה, בתרגום חופשי), שם השאול מתורת הבודהיזם.

שיטת הסיווג של מורי ותכונת ה'מוזרות' היו מעניינים, אך נדרשה הוכחה חותכת לפני שתתקבלנה על ידי עמיתיו בקהילה המדעית. ההיסטוריה, כידוע, חוזרת על עצמה- וכך גם במקרה זה. כשהגה דימיטרי מנדלייב את הטבלה המחזורית של היסודות הכימיים, הוא מצא בה 'חורים': יסודות שהיו אמורים להיות בטבלה אך עדיין לא נתגלו. מנדלייב נעזר בטבלה המחזורית כדי לנבא את תכונותיהם של יסודות אלה, וצדק. מורי גל-מן גילה חור דומה באחת ממשפחות החלקיקים בדרך השמינייה: מקום שבו אמור להיות חלקיק בעל תכונות מסוימות, ושעדיין לא נתגלה. מורי כינה את החלקיק החסר בשם 'אומגה מינוס', ופירט מה אמורים להיות תכונותיו של החלקיק לכשיתגלה. שלוש שנים מאוחר יותר, ב-1964, נתגלה אומגה-מינוס במאיץ חלקיקים ובכך אישש את רעיונותיו של גל-מן. ניבוי מוצלח זה זיכה את מורי בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1969.

מעניין לציין, כהערת אגב, שחוקר נוסף הגה אותם הרעיונות ממש במקביל למורי גל-מן, אך לא זכה לאותה חשיפה והערכה: הישראלי פרופ' יובל נאמן. נאמן הגיע באופן עצמאי למסקנות זהות לאלו של גל-מן והשניים אף כתבו יחד ספר על הנושא, אך לא זכה בפרס נובל. נאמן האשים את ההחמצה הזו בסנטימנטים אנטי-ישראליים ששררו, לתחושתו, בוועדת הנובל. הוא המשיך לעשות חיל גם מחוץ לאקדמיה, וכיהן בשורה של תפקידים בכירים בצה"ל, בכנסת ובממשלה.

קווארקים

בחזרה למורי גל-מן, שלא קפא על שמריו. סידור החלקיקים במשפחות רמז על כך שישנם קשרים עמוקים וחבויים ביניהם, כפי שדימיון פיזי בין בני משפחה מצביע על דמיון גנטי ביניהם. בשנת 1964 הציע גל-מן פתרון שיסביר את הקשרים בין החלקיקים, בדמות חלקיק חדש בשם 'קוורק' (Quark, מבוטא kwork). הקוורק, טען גל-מן, הוא אבן הבניין היסודית ממנה עשוי כמעט כל החומר בטבע: הפרוטון, הניוטרון וכל שאר החלקיקים שנתגלו במאיצי החלקיקים עשויים מקומבינציות שונות של קוורקים, באותו האופן שבו צירופים שונים ומשונים של פרוטונים וניוטרונים יוצרים אטומים של יסודות שונים. את המילה 'קוורק' שאל גל-מן מפואמה בשם Finnegans Wake מאת ג'יימס ג'וייס, שמוכר יותר בזכות הספר 'יוליסס' – גרסה מודרנית של האודיסאה היוונית העתיקה. ב-Finnegans Wake המציא ג'ויס אינספור מילים חדשות ומשונות, עובדה שללא ספק מסבירה מדוע נמשך אליה גל-מן חובב השפות. אחת השורות בפואמה היא 'שלושה קוורקים למוסטר מארק', ומשם לקוחה המילה קוורק.

כדי להבין מהו קוורק ומה תפקידו, עלינו ראשית לחזור אל המבנה המוכר של גרעין האטום – צביר פרוטונים וניוטרונים. כפי שידעו הפיזיקאים כבר בשנות העשרים של המאה הקודמת, לפרוטונים מטען חשמלי חיובי. הצרה היא ששני חלקיקים בעלי מטען חיובי נדחים זה מזה, ועל פי עיקרון זה גרעין האטו