חלקיקים אלמנטרים וארבעת הכוחות

1. המודל הסטנדרטי חלקיקים אלמנטרים וארבעת הכוחות אתי מודריק דניאלה הוס

2. סדרי גודל אטומיים : אטום – הגרעין- פרוטונים- קווארקים ואלקטרונים-

3. הגדרת המרכיבים היסודיים של החומר השתנתה כמה פעמים במאתיים השנים האחרונות. במאה ה-19 נחשבו האטומים לאבני הבניין היסודיות של כל החומרים. מרכיבי האטום הם: האלקטרון, הפרוטון והניטרון, הניטרון התגלה בשנת 1932 והפוטון, שהוא החלקיק היסודי של האור .הניטרון נתגלה בשנת 1932 ושאר הגלים האלקטרומגנטיים. ואולם במהלך המאה העשרים התגלו חלקיקים רבים נוספים. רוב התגליות נעשו במאיצי חלקיקים שבהם מקנים לחלקיקים טעונים, כגון אלקטרונים או פרוטונים, אנרגיה קינטית גבוהה מאד, ומניחים להם להתנגש בחלקיקים אחרים.

4. אנטי חלקיקיםלכל חלקיק טעון צריך להיות "חלקיק ראי" בעל אותה מסה , אותו ספין ואותו אורך חיים , אך בעל מטען חשמלי הפוך . • בשנת 1932 התגלה בקרינה הקוסמית הפוזיטרון שהוא האנטי חלקיק של האלקטרון • בשנת 1955 נתגלה במאיצי החלקיקים האנטי פרוטון שהוא חלקיק זהה לפרוטון פרט למטענו החשמלי שהוא שלילי • אנטי חלקיק מסומן באמצעות קו מעל האות המסמלת את החלקיק • לא רק לחלקיקים טעונים יש אנטי חלקיקים

5. אניהילציה • כאשר חלקיק ואנטי חלקיק נפגשים הם עוברים תהליך של השמדה הדדית . כלומר כל המסה נעלמת והופכת לאנרגיה • כאשר אלקטרון נפגש עם פוזיטרון נוצרים פוטונים • כאשר פרוטון נפגש עם אנטי פרוטון יכולים להיווצר פוטונים וגם חלקיקים

6. יצירת זוגות • כאשר פוטונים אנרגתיים עוברים דרך האטומים הם נעלמים ובמקומם נוצרים חלקיק ואנטי חלקיק

7. גילוי הניטרינו -1956 קואן וריינס בתהליך פליטת ביתא שלילית מתפרק ניטרון לפרוטון , אלקטרון ואנטי ניטרינו שהספין שלו במגמת תנועתו בתהליך פליטת ביתא חיובית מתפרק הפרוטון לניטרון ,פוזיטרון וניטרינו שהספין שלו בכיוון הפוך לתנועתו. ניטרינו חסר מטען חשמלי בעל מסה מאד קטנה

8. ניטרינו • ההשערה בדבר קיומו של החלקיק זה הוצעה ממדידת האנרגיות הקינטיות השונות של האלקטרונים הנפלטים בהתפרקות ביתא החלקיק המסתורי חסר מטען חשמלי כי האלקטרון נוטל את כל המטען החסר בגרעין מסתו זניחה כי האלקטרון נוטל את כל המסה שהפסיד הגרעין הסיכוי לאינטראקצייה בין ניטרינו המגיע מהחלל החיצון לבין כדור הארץ הוא אחד למיליון ניתן לגלות את הניטרינו בכורים גרעיניים

9. גילוי המואון • בשנות ה-40 התגלה בקרינה קוסמית חלקיק קצר חיים המתפרק לאחר שתי מיליוניות השנייה מסתו גדולה פי 200 ממסת האלקטרון

10. גילוי הטאו-1975התגלה במאיץ החלקיקים בסטנפורד בקליפורניה • קצרי חיים • מסתם גדולה פי 3500 ממסת אלקטרון

11. את החלקיקים שנתגלו אפשר לחלק לשלוש קבוצות: קבוצת ההָדרוֹנִים שבה חברים הפרוטון והניטרון וחלקיקים נוספים, קצרי חיים, שקוטרם הוא כ- מטר. קבוצת הלֶפְּטוֹנִים (ביוונית: קלים). (e) ועוד שני חלקיקים – המוּאוֹן (µ) והטָאוּ () – שהם בעלי מטענים שליליים כמו האלקטרון, אך מסותיהם הרבה יותר גדולות ממסת האלקטרון. לכל אחד מהם משלושת הלפטונים הטעונים יש בן זוג ניטרלי בעל מסה קטנה, בשם ניטרינו (e, µ, ). לסיכום, בקבוצת הלפטונים ישנם שישה חלקיקים ושישה אנטי חלקיקים. חושבים כי הלפטונים הם חלקיקי יסוד הקבוצה השלישית מכילה את החלקיקים הנושאים את הכוחות היסודיים. חברים בה הפוטון, הגלואונים הנושאים את הכוח החזק, ושלושת החלקיקים הנושאים את הכוח החלש.

12. החלקיקים בקבוצה השנייה והשלישית הם חלקיקים יסודיים באמת, ככל שאנו יכולים לקבוע היום, אולם ההדרונים- שבה חברים הפרוטון והניטרון מורכבים מחלקיקים יסודיים יותר – הקוורקים.

13. קווארקים • ישנם שישה סוגי קווארקים אך לרוב מתייחסים אליהם כאל שלושה זוגות : up/down , charm/strange , top/bottom. • לקווארקים קיימת התכונה המיוחדת שהם בעלי מטען שברי. • הקווארקים לעולם אינם מופיעים בנפרד. • ששת סוגי הקווארקים נקראים גם "טעמים".

14. מוריי גל מן וגו'רג' צוויג 1964 • טוענים כי הפרוטון והניטרון בנויים משני סוגים של חלקיקים u ו-d במשך הזמן התגלו קווארקים נוספים ב-1995התגלה הקווארק השישי

15. אחד ההישגים הגדולים של הפיסיקה בחצי השני של המאה העשרים הוא יצירת תמונה כוללת, שבה החלקיקים היסודיים הם הלפטונים, הקוורקים, והחלקיקים הנושאים את הכוחות. תיאוריה זו מכונה המודל הסטנדרטישל החלקיקים היסודיים. • במסגרת המודל הסטנדרטי אפשר לאפיין כל חלקיק באמצעות המסה שלו, מטענו החשמלי, הספין שלו, ו"מטענים" נוספים כמו "מוזרות" ו"מספר בריוני" שעליהם חלים חוקי שימור. ספין הוא תנע זוויתי פנימי, שהוא תנועת סיבוב של החלקיק סביב צירו.

16. את מסות החלקיקים נוח לבטא ביחידות אנרגיה, באמצעות הנוסחה E=mc2. יחידת אנרגיה שימושית היא האלקטרון-וולט (א"ו או eV) שהיא האנרגיה שמתווספת לאלקטרון או פרוטון שמואץ במתח של וולט אחד. למיליון אלקטרון-וולט קוראים מא"ו (MeV). מסת הפרוטון היא 938.26 מא"ו, וזו של הניטרון 939.55 מא"ו. מסת האלקטרון היא 0.511 מא"ו, ומסת הפוטון היא אפס. • על פי המודל הסטנדרטי, כנגד כל חלקיק יש אנטי חלקיק, שזהה לו במסה, בספין ובמשך הקיום הממוצע שלו, אך יש לו מטען חשמלי הפוך. זוהי אחת הסימטריות היסודיות של הטבע. למשל, האנטי-חלקיק של האלקטרון מכונה פּוֹזִיטְרוֹן, והוא זהה לאלקטרון פרט לכך שיש לו מטען חשמלי חיובי.

17. לקוורקים וללפטונים מתייחסים היום כאל החלקיקים היסודיים של החומר ביקום. את ששת הקוורקים וששת הלפטונים נוח לסדר בשלוש קבוצות, או שלושה "דורות" בלשון הפיסיקאים, שבכל אחד מהם יש זוג של קוורקים וזוג של לפטונים. הדור הראשון מכיל את הקוורקים d, u ואת הלפטונים e, e; הדור השני את הקוורקים s, c והלפטונים µ, µ והדור השלישי את הקוורקים b, t והלפטונים , . • הפרוטון והניטרון מורכבים מהקוורקים u ו-d, כך שארבעת החלקיקים של הדור הראשון (u, d; e, e) בונים את כל החומר הסובב אותנו בתנאים רגילים. שני הדורות האחרים מופיעים בניסויים באנרגיות גבוהות. ואולם תגובות בין חלקיקים מהדור הראשון יכולות להיות מושפעות מקיומם של הדור השני והשלישי.  

18. קווארקים – נתונים

19. הדרונים Hadrons • צירוף של מספר קווארקים (ו/או גלואונים) נקרא Hadron. • "מרגישים" את כל ארבעת הכוחות. • הם תמיד בעלי מטען שלם. • קיימים שני סוגי הדרונים : Baryons , Mesons. • Baryons: • מורכבים משלושה קווארקים. • בעלי ספין חצי שלם • Mesons: • מורכבים תמיד מקווארק ואנטי-קווארק. • מאוד בלתי יציבים. • בעלי ספין שלם

20. מודל סטנדרטי • לפי המודל הסטנדרטי ניתן לחלק את החלקיקים למספר קבוצות. החלוקה הראשונה מבחינה בין בוזונים (bosons) ופרמיונים (fermions). הבוזונים הם חלקיקים בעלי ספין שלם (0,1,2…), והפרמיונים הם חלקיקי החומר בעלי ספין של חצי וכפולותיו (1/2,3/2…), כאשר ספין הוא תכונה של חלקיקים אלמנטריים, התנע הזוויתי הפנימי שלהם .

21. הבוזונים הם החלקיקים נושאי הכוחות. קבוצה זו כוללת את החלקיקים הבאים :הפוטון נושא הכוח החשמלי, הגלואונים נושאי הכוח החזק, ה-Z וה-W נושאי הכוח החלש ומספר חלקיקי היגס. מלבד ההיגס נתגלו כל החלקיקים שצוינו עד עתה בניסוי

22. לפטונים Leptons • קיימים 6 סוגי לפטונים: • 3 בעלי מטען חשמלי שלילי זהה: electrons - e , muons - , tau - • 3 סוגי ניטרינו, חסרי מטען, המתאימים לכל לפטון בעל מטען שלילי. • הניטרינו הינם בעלי מסה קטנה מאד, וקשים מאד לגילוי. • בניגוד לקווארקים המופיעים רק בקבוצות, ניתן למצוא לפטונים ביחידים.

23. התפרקויות - Leptons • האלקטרונים ושלושת הניטרינו הינם חלקיקים יציבים ולכן מצויים בטבע, בעוד ש muons ו tau (הכבדים יותר) בעלי אורך חיים קצר ביותר. • לא כל התפרקות מותרת, ישנם חוקים מסוימים לפיהם היא תתרחש: • בין תוצרי ההתפרקות חייב להימצא הניטרינו המתאים ללפטון שהתפרק.

24. מזונים –ביוונית בינוניים • בשנות הארבעים התגלו המזונים בקרינה הקוסמית • הם קצרי חיים שמסותיהם גדולות יותר ממסת האלקטרון אך קטנות ממסת הפרוטון • בעלי ספין שלם

25. בריונים-ביוונית כבדים • בשנות החמישים והשישים נתגלו הבריונים שמסתם עולה על אלף מא"ו שבתהליך התפרקותם נוצר נוקלאון • לכל בריון יש אנטי בריון • בעלי ספין חצי שלם הפרוטון והניטרינו שייכים לבריונים

26. סיכום: עדיין לא מובן מדוע הדורות הבלתי יציבים, השני והשלישי, קיימים. עד שלא נרד לעומקם לא נוכל לפסול אפשרות שקיימים דורות נוספים, או חלקיקים בסיסיים אף יותר מאלה הידועים לנו כיום.

27. פרמיונים הם בעלי ספין חצי שלם • הפרמיונים מתחלקים לשתי קבוצות, קווארקים (quarks) ולפטונים (leptons), כאשר מכל קבוצה יש שישה חלקיקים, המחולקים לשלושה דורות. כל דור נבדל מקודמו במסה. קבוצת הקווארקים כוללת שישה חלקיקים (החלק השמאלי העליון בתמונה), ששמותיהם (בתרגום לעברית) הם: מעלה, מטה, קסום, מוזר, עליון ותחתון (חוש הומור מעניין יש לפיסיקאים…). לקווארקים מטען חשמלי של 2/3+ או 1/3- ממטען האלקטרון.

28. ארבעת האינטראקציות • כל הכוחות המוכרים לנו נובעים מארבעה כוחות יסודיים : גרביטציה, אלקטרומגנטי, הכח החזק והכח החלש. • כח הינו אינטראקציה בין שני גופים. • בכל אינטראקציה • ישנו חילוף של Force Carrier Particles • שהם מהקבוצה השלישית המכילה את החלקיקים הנושאים את הכוחות היסודיים. חברים בה הפוטון, הגלואונים הנושאים את הכוח החזק, ושלושת החלקיקים הנושאים את הכוח החלש.

29. הכח האלקטרומגנטי E.M. • הכח הפועל בין חלקיקים נושאי מטען חשמלי. • כח המחבר אטומים ומולקולות אחד לשני. • הפוטוןForce carrier particle - . • הכוח החשמלי בין הגופים נישא על ידי פוטונים המוחלפים בין הגופים הטעונים

30. דחייה חשמלית בין אלקטרונים • הכוח החשמלי בין גופים טעונים נישא על ידי פוטונים המוחלפים בין האלקטרונים פוטון הנפלט מחלקיק טעון אחד יכול להיקלט בחלקיק טעון אחר. כך האלקטרונים נדחים זה מזה.

31. הכח החזק • מחבר בין חלקיקים בעלי מטען "צבע". • גלואון Gluon – Force carrier particle. • הגלואון עצמו טעון ב color charge. • למרות שהקווארקים הם בעלי מטען צבע, חלקיקים המורכבים מקווארקים (הדרונים) הינם נייטרלים "צבעית", ורק הם מותרים. • הכח החזק הוא המחזיק את הפרוטונים והניוטרונים בגרעין יחדיו.

32. שדה הכח החזק • עקב אינטנסיביות האינטראקציה בין הקווארקים נוצר שדה כח ביניהם. • בניגוד לכוחות המוכרים לנו, אנרגית הקשר גדלה ביחס ישר למרחק.

33. טיב האינטראקציה בין קווארקים • קווארק יכול לקבל מטען צבע כחול, ירוק, אדום או אנטי-צבע בהתאמה. • הכוח שבין הקוארקים בתוך ההדרון נובע מ"מטען" הצבע שלהם ויכול לקבל שלושה צבעים לאנטי קוארקים מייחסים צבעים מנוגדים : אנטי אדום ,אנטי ירוק ואנטי צהוב.צירוף של אנטי קוארק וקוארק הוא ניטרלי –חסר צבע. הכוח החזק פועל בין הצבעים השונים , בשעה שההדרונים הם חסרי צבע. הכוח החזק מועבר על ידי 8 חלקיקים ניטרלים בעלי מסה 0 המכונים גלואונים בעלי צבע ולכן הם גם מפעילים כוח זה על זה . הם מעין "חוט" • המקשר בין הקווארקים וגורם להגדלת הכוח ביניהם בגדול המרחק.הגלואונים כלואים בתוך ההדרון

34. הכח החלש • פועל על הלפטונים והקווארקים הכבדים. • Force Carrier Particles - +W, -W, Z . • לדוגמה: התפרקות ביתא – הפיכת ניוטרון לפרוטון. • במהלך ההתפרקות קוארק d הופך לקוארק u • באמצעות פליטת חלקיק W שאחר כך מתפרק לאלקטרון ולאנטי ניטרינו

35. הכח האלקטרו-חלש • ההבדל העיקרי בין הכוחות הוא שנושאי הכח W,Z הינם מאסיביים מאד ובעלי מטען חשמלי, בעוד שהפוטון חסר מאסה ונייטרלי. • במרחקים קטנים מאוד עוצמת הכח האלקטרומגנטי ועוצמת הכח החלש דומות.

36. ? גרביטציה • הכח פועל על כל חלקיק בעל אנרגיה. • Force carrier particle – graviton. • מהות האינטראקציה עדיין אינה ידועה.

37. ארבעת האינטראקציות - סיכום -39 -6 6*10 10 1/137 1 strength

38. ענה על השאלות הבאות: 1. מהם המאפיינים של הקבוצות הבאות: הדרונים, לפטונים והחלקיקים הנושאים את הכוחות היסודיים? • מהם ארבעת הכוחות היסודיים שבטבע ומה מאפיין אותם? • באר את המושגים הבאים: מזונים,בוזונים ופרמיונים. • מהם "שלושת הדורות" של החלקיקים האלמנטריים? עמוד על ההבדלים ביניהם. • על סמך המצגת והסרט בהם צפיתם חברו 4 שאלות שאין צורך לענות עליהן.

39. ביבליוגרפיה • www.particleadventure.org • http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html • http://www2.slac.stanford.edu/vvc/ • סרטו של פרופ' הררי: • http://www.youtube.com/watch?v=blFU6MRHyJs • The Particle Hunters / Yuval Neeman