המודל הסטנדרטי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

המודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים הוא תאוריה שמתארת את הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי, וכן את החלקיקים הבסיסיים המרכיבים את החומר. זוהי תאוריית שדה קוונטי, והיא מתיישבת הן עם מכניקת הקוונטים והן עם תורת היחסות הפרטית. נכון להיום, כל הניסויים שנעשו תואמים את תחזיות המודל הסטנדרטי. עם זאת, המודל אינו שלם, בעיקר מהסיבה שהוא אינו כולל את הכבידה, כמפורט בסוף המאמר.

תוכן עניינים

[עריכה] החלקיקים

אמנם המודל הסטנדרטי טעון הרחבה, אבל חלקיקיו מספיקים לתיאור העולם היום-יומי (מלבד הכבידה), ולהסברת מרבית הנתונים שאספו עד כה הפיזיקאים של החלקיקים.

[עריכה] חלקיקי החומר (פרמיונים)

חלקיקי החומר הם פרמיונים, שהם חלקיקים שלהם ספין לא שלם ומצייתים לעקרון האיסור של פאולי, הקובע ששני פרמיונים אינם יכולים לחלוק את אותו מצב קוונטי.

במודל הסטנדרטי, חלקיקי היסוד של החומר הרגיל הם האלקטרון, קווארק מעלה (U) וקווארק מטה (D). שלשות של קווארקים מתלכדות יחדיו ליצירת פרוטונים (UUD) ונייטרונים (UDD); אלה מצטרפים ליצירת גרעין האטום. האלקטרון והקווארקים מעלה ומטה, יחד עם הנייטרינו האלקטרוני, יוצרים את הראשונה משלוש הקבוצות החלקיקים, שנהוג לכנותן "דורות".

כל החומר הרגיל מורכב מחלקיקים השייכים לדור הראשון; חלקיקי שני הדורות הבאים, המיוצרים באופן מלאכותי במאיצי חלקיקים, מתפרקים במהירות לחלקיקי דור ראשון. חלקיקי הדור הראשון מתנהגים באופן זהה למקביליהם בשני הדורות האחרים; המבדיל ביניהם הוא המסה בלבד. לדוגמה, לאלקטרון ולמואון ספין של חצי והם אינם מגיבים עם כוח הגרעיני החזק, אך מסתו של המואון גדולה מזו של האלקטרון פי 200.

האלקטרון והנייטרינו האלקטרוני, וכן מקביליהם בשני הדורות הנוספים, נקראים בשם "לפטונים". בשונה מן הקווארקים, אין להם תכונת "צבע", והם מגיבים אך ורק עם הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש, ותגובתם זו נחלשת ככל שהמרחק ביניהם גדל. מאידך, תגובת הקווארקים עם הכוח החזק ועם כוח ה"צבע" מתחזקת ככל שגדל המרחק, כך שקווארקים לעולם ימצאו בשילובים נטולי צבע בשם "האדרונים". שילובים אלה הם באריונים פרמיוניים המורכבים משלושה קווארקים (כדוגמת הפרוטון והנייטרון), או מזונים בוזוניים המורכבים מזוג קווארק ואנטי־קווארק (כמו הפיונים).

[עריכה] נשאי הכוח (בוזונים)

במודל הסטנדרטי, התאוריה של האינטראקציה האלקטרו-חלשה (המתארת את האינטראקציות האלקטרומגנטיות והחלשות) דומה לכרומודינמיקה קוונטית. כל התאוריות האלה הן תאוריות כוח, כשהכוונה היא לכך שהן מדמות את הכוחות בין הפרמיונים בכך שהן מצמידות להן בוזונים שנושאים (או "מעבירים") את הכוחות. הבוזונים במודל הסטנדרטי הם:

בוזונים

Y

פוטון

W

בוזון W

Z

בוזון Z

g

גלואון

H

בוזון היגס*

פרמיונים

t

קווארק עליון

c

קווארק קסום

u

קווארק למעלה

קווארקים

b

קווארק תחתון

s

קווארק מוזר

d

קווארק למטה

τ

טאו

μ

מואון

e

אלקטרון

לפטונים

Vτ

נייטרינו טאואוני

Vμ

נייטרינו מואוני

Ve

נייטרינו אלקטרוני

דור שלישי


דור שני


דור ראשון


*קיומו טרם הוכח

אחת מהצלחותיו הגדולות ביותר של המודל הסטנדרטי מתבטאת בכך שצורותיהם של הכוחות - המבנה המפורט של המשוואות המתארות אותם - נקבעות בראש ובראשונה על פי העקרונות הכלליים שמגלמת התאוריה, ואינן נבחרות באורח שרירותי כך שיהלמו אוסף של נתונים ניסיוניים. במה שנוגע לאלקטרומגנטיות, לדוגמה, תוקפה של תורת השדות הקוונטיים היחסותית (שעליה מבוסס המודל הסטנדרטי) וקיומו של האלקטרון, מלמדים שהפוטון חייב להתקיים אף הוא וליצור את האינטראקציות שלו כפי שמתרחש בפועל - כך עלה בידי חוקרי החלקיקים להבין את האור. טיעונים דומים לזה ניבאו את הקיום ואת התכונות של הגלואונים ושל חלקיקי W ו-Z, כפי שאומתו לאחר מכן בתצפיות.

קרוב לוודאי שלא תופיע בעתיד תאוריה שתחליף את המודל הסטנדרטי ותקבע כי הקווארקים והאלקטרונים עשוים מחלקיקים יסודיים יותר. עפ"י ניסויים הבוחנים את התאוריה ברמות עמוקות יותר ויותר, לא נמצא סימן כלשהו לקיומו של מבנה נוסף. חשוב מזה, המודל הסטנדרטי הוא תאוריה עקבית, שיש לה משמעות רק אם האלקטרונים והקווארקים הם יסודיים. אין בו קצוות שרומזים על מבנה תשתיתי יותר. זאת ועוד, כל הכוחות נעשים דומים זה לזה באנרגיות גבוהות, בייחוד אם סימטריית-העל נכונה. אם האלקטרונים והקווארקים הם חלקיקים מרוכבים, כושל האיחוד הזה: הכוחות אינם משתווים. תורת השדות הקוונטיים היחסותית רואה את האלקטרונים והקווארקים כנקודתיים - ולכן חסרי מבנה. בעתיד, אולי יהיה אפשר לתאר אותם כמיתרים זעירים או כקרומיות (כפי שגורסת תורת המיתרים) אבל עדיין הם יהיו אלקטרונים וקווארקים, עם כל התכונות שמעניק המודל הסטנדרטי לעצמים אלה באנרגיות נמוכות.

[עריכה] כללי המשחק

"כללי המשחק"
הגדל
"כללי המשחק"

המודל הסטנדרטי מתאר את חלקיקי היסוד וכיצד הם מגיבים ביניהם. על מנת שנבין היטב את הטבע, עלינו לדעת גם מה הם הכללים שעלינו להשתמש בהם כדי לחשב את תוצאותיהן של אינטראקציות. ראו כדוגמה, לשם הבהרת העניין, את החוק השני של ניוטון, F=ma. אנו יודעים ש-F הוא כוח כלשהו, m היא המסה של חלקיק כלשהו ו-a היא תאוצת החלקיק בהשפעת הכוח. גם אם ידועים לנו החלקיקים והכוחות הפועלים עליהם, איננו יכולים לחשב את התנהגות החלקיקים אם איננו מכירים את הכלל F=ma. הגרסה המודרנית של הכללים היא תורת השדות הקוונטית היחסותית, שהומצאה במחצית הראשונה של המאה העשרים. במחצית השנייה של המאה למדו החוקרים, עם פיתוחו של המודל הסטנדרטי, להכיר את טיבם של החלקיקים והכוחות הנוהגים לפי כלליה של תורת השדות הקוונטית. המודל הסטנדרטי גם הרחיב את מושג הכוח הקלאסי: כאשר חלקיקים מגיבים ביניהם, אין הם רק דוחפים או מושכים זה את זה, אלא הם עשויים גם לשנות את זהותם, להיווצר ולהתאיין.

דיאגרמות פיינמן (משמאל), שניסח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, מסייעות לתת תיאור פשוט ונוח של אינטראקציות בתורת השדות הקוונטית. הקווים הישרים מייצגים את מסלוליהם של חלקיקי חומר; הקווים הגליים מייצגים את מסלוליהם של חלקיקי כוח. אלקטרומגנטיות נוצרת בפליטה ובבליעה של פוטונים על ידי חלקיק טעון כלשהו, כגון אלקטרון או קווארק. בתרשים א', אלקטרון נע פולט פוטון וממשיך לנוע בכיוון חדש. בכוח החזק מעורבים גלואונים שנפלטים (ב') או נבלעים על ידי קווארקים. בכוח החלש מעורבים חלקיקי W ו-Z (ג', ד'), שאותם פולטים ובולעים גם קווארקים וגם לפטונים. ראו כיצד גורם חלקיק W לשינוי זהותו של אלקטרון. ייתכנו אינטראקציות גם בין גלואונים (ה') לבין עצמן וגם בין חלקיקי W או Z לבין עצמם (ו'), אבל לא בין פוטונים לבין עצמם. דיאגרמות א' עד ו' ועד בכלל נקראות "צמתי אינטראקציות". כוחות נוצרים בחיבור של שני צמתים או יותר. לדוגמה, הכוח האלקטרומגנטי בין אלקטרון לקווארק נובע רובו ככולו מהעברת פוטון (ז'). כל מה שקורה בעולמנו, מלבד כבידה, הוא תוצאה של צירופים של צמתים כאלה.

[עריכה] כמה בעיות

  1. כל התאוריות בנות ימינו מראות שהיקום צריך להכיל ריכוז אדיר של אנרגיה, גם באזורי החלל הריקים ביותר. תוצאי הכבידה של אנרגיית הריק הזאת, כפי שהיא נקראת, היו אמורים לפעול באחת משתי דרכים: לכרבל את היקום במהירות, לפני זמן רב מאוד, או להרחיבו בשיעור ניכר הרבה יותר. המודל הסטנדרטי אינו מסוגל לסייע בפתרון החידה הזאת, שכינוייה "בעיית הקבוע הקוסמולוגי".
  2. במשך זמן רב חשבו הכול שהתפשטות היקום הולכת ומואטת בגלל משיכת הכבידה ההדדית בין כל הגופים החומריים ביקום. כיום אנו יודעים שההתפשטות מואצת, והגורם לתאוצה זו (שיש לו כבר שם, "אנרגיה אפלה", אבל טיבו אינו ברור עדיין) אינו מצוי בפיזיקה של המודל הסטנדרטי.
  3. יש ראיות טובות שבשבריר השנייה הראשון אחרי המפץ הגדול עבר היקום שלב של התפשטות מהירה במיוחד, הקרויה אינפלציה. השדות האחראים לאינפלציה אינם יכולים להיות שדות של המודל הסטנדרטי.
  4. אם היקום החל במפץ הגדול כהתפרצות אדירה של אנרגיה, היה עליו להתפלג בהמשך התפתחותו למנות שוות של חומר ואנטי-חומר (סימטריית CP). אך במקום זאת, הכוכבים והערפיליות עשויים מפרוטונים, מנייטרונים ומאלקטרונים, ולא מהאנטי-חלקיקים המקבילים להם, חלקיקי האנטי-חומר. המודל הסטנדרטי אינו יכול להסביר את האסימטריה הזאת של החומר.
  5. כרבע מתכולת היקום היא חומר אפל קר, בלתי נראה, שאינו יכול להיות עשוי מחלקיקי המודל הסטנדרטי.
  6. במודל הסטנדרטי, אינטראקציות עם שדה היגס (המשויך לבוזון היגס) גורמות לחלקיקים להיות בעלי מסה. המודל סטנדרטי אינו יכול להסביר את הצורות המסוימות מאוד שצריכות להיות לאינטראקציות של היגס.
  7. התיקונים הקוונטיים למסה המחושבת של חלקיק היגס הופכים אותה לענקית, ואילו היה כך, מסותיהם של כל החלקיקים היו צריכות להיות ענקיות. התוצאה הזאת בלתי נמנעת במודל הסטנדרטי, וכך מתעוררת בעיה מושגית קשה מאוד.
  8. המודל הסטנדרטי אינו מסוגל לכלול את הכבידה, משום שהמבנה שלה שונה מהמבנה של שלושת הכוחות האחרים.
  9. המודל הסטנדרטי אינו מסוגל להסביר את ערכי המסות של הקווארקים והלפטונים (למשל האלקטרונים וחלקיקי הנייטרינו).
  10. במודל הסטנדרטי יש שלושה דורות של חלקיקים. העולם היומיומי בנוי כל-כולו מחלקיקי הדור הראשון, ואילו חלקיקי שני הדורות האחרים היו קיימים רק מיד אחרי המפץ הגדול. כיום הם קיימים רק בקרינה קוסמית או מיוצרים במעבדות כדוגמת אלו שב-CERN. המודל הסטנדרטי מתאר את כל שלושת הדורות אבל אינו יכול להסביר מדוע יש יותר מדור אחד.

[עריכה] ראו גם

[עריכה] קישורים חיצוניים