פענוח סודות הקווארק: ממצאי מאיץ האדרונים גדולים חדשים מאתגרים תיאוריות ישנות

מדידות משיתוף הפעולה של LHCb מרחיבות את ההבנה המדעית של האופן שבו קווארקים בודדים מתאספים ויוצרים חומר הניתן לצפייה.

מחקר של מאיץ ההדרונים הגדול חשף שקווארקים, המרכיבים העיקריים של החומר הנראה לעין, יוצרים חלקיקים מרוכבים בצורה שונה בהתבסס על תנאי הסביבה. תגלית זו מערערת על האמונה הקודמת שייצור באריונים מקווארקים הוא אחיד, מה שמצביע על צורך במודלים תיאורטיים מתוקנים כדי להסביר היווצרות חומר בצפיפות משתנות.

קווארקס: אבני הבניין של החומר

קווארקים הם החלקיקים הבסיסיים המרכיבים את החומר הנראה ביקום. המאפיין הכי מסקרן והתמוה של הקווארקים הוא שהם לעולם לא נמצאים בבידוד. במקום זאת, ניתן לצפות בהם רק כאשר הם כלואים בתוך חלקיקים מרוכבים כגון פרוטונים.

פיזיקאים גרעיניים משתמשים במאיצי חלקיקים ענקיים כדי לייצר סוגים שונים של קווארקים ולחקור כיצד הם מתפתחים ליצירת חלקיקים ניתנים לצפייה. קבוצות של שלושה קווארקים יוצרות חלקיקים מרוכבים הנקראים בריונים (כגון פרוטונים ונויטרונים), בעוד שזוגות של קווארקים יוצרים מזוונים. מדידות חדשות מניסוי היופי של מאיץ ההדרון הגדול (LHCb) מראות שינויים מפתיעים בקצב ייצור הבריון, המתנגדים לציפיות הקודמות.

הבנת בריונים ומסונים

גרעיני האטום היוצרים את כל החומר הגלוי מורכבים מבאריונים (באופן ספציפי, פרוטונים וניוטרונים), שלדעת המדענים נוצרו ביקום המוקדם. בריונים בתוך גרעינים הם חלקיקים יציבים שאינם עוברים ריקבון רדיואקטיבי. עם זאת, כל המזונים אינם יציבים, והם מתפרקים במהירות לחלקיקים קלים יותר שאינם יכולים ליצור אטומים.

קיומם של בריונים יציבים לעומת מזוונים לא יציבים הוא אפוא מה שמאפשר את קיומם של אטומים והיקום כפי שאנו מכירים אותו. ניסוי LHCb הראה שקצב היווצרות הקווארקים לבאריונים לעומת מזוונים תלוי מאוד בצפיפות הסביבה שלהם. ממצא זה עוזר להסביר את יצירתם של החלקיקים היציבים הראשונים ביקום המוקדם.

תפקידה של אינטראקציה חזקה

העובדה שהקווארקים חייבים להיות מוגבלים היא התכונה המגדירה של האינטראקציה החזקה, כפי שמתוארת על ידי תורת הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD). חישובים באמצעות QCD יכולים לחזות את המספר הכולל של קווארקים תחתונים כבדים שנוצרו בהתנגשויות של חלקיקים, אך אינם יכולים לתאר את השבר שמופיע כבאריונים ולא כמזונים. בדרך כלל, החוקרים מכוונים מודלים כדי להתאים נתונים מניסויים קודמים שכללו התנגשויות של אלקטרונים עם פוזיטרונים, בהנחה שקצב ייצור הבריון הוא אוניברסלי.

השלכות של התנגשויות בצפיפות גבוהה

הבדל חשוב במחקר החדש הזה ביחס לניסויים קודמים הוא שהתנגשויות של פרוטונים ו/או גרעינים במאיץ ההדרונים הגדול מייצרות סביבה עם צפיפות קווארקים הרבה יותר גבוהה.

במחקר זה, פיזיקאים גרעיניים מניסוי LHCb מצאו שמספר הבריון המכילים קווארקים b תלוי בסביבה בעקבות ההתנגשויות, ועולה עם צפיפות חלקיקים גבוהה יותר. זה מראה שההנחה של מדענים לגבי האוניברסליות של ייצור באריונים היא שגויה, ושהאינטראקציות בין הקווארקים המיוצרים במהלך התפתחותם לחומר גלוי משפיעה על מספר הבריונים שמופיעים.

תוצאות חדשות אלו מוכיחות כי נדרשים מנגנונים תיאורטיים נוספים לייצור בריונים במערכות התנגשות צפופות, שאולי היו חשובות במיוחד כאשר הפרוטונים הראשונים נוצרו ביקום המוקדם.

מחקר זה נתמך על ידי משרד האנרגיה של משרד המדע, התוכנית לפיזיקה גרעינית.