ריקודי זוגות במאיץ החלקיקים

מסתבר שמהירות תנועתם של הפרוטונים בגרעין גבוהה משחשבנו, ושהסוד טמון בזוגיות

ריקודי זוגות במאיץ החלקיקים

אחד מפלאי העולם, וכיוצא בזה גם של המדע, הוא העובדה שהרכיב הזעיר ביותר ביקום, מעיד על האדיר ביותר, ולהיפך. זה מתבטא ביתר שאת, בצורה שהיא לעתים בלתי נתפסת, במבנה האטום. "החומר בעולמנו, החל בגוף שלנו וכלה בכוכבי השמים, בנוי מאטומים, וכל אטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונויטרונים (המכונים יחדיו נוקלאונים), ומאלקטרונים החגים סביבו. לכן כל תגלית הנוגעת לגרעין האטום היא משמעותית, בדרך זו או אחרת, להבנת היקום כולו."  אומר פרופ' אלי פיסצקי מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. בימים אלו מחקר חדש בהובלתו שופך אור חדש על המתרחש בתוך גרעין האטום.

 

כדי לבחון מה מתרחש בתוך גרעין האטום נעזרים המדענים במאיצי חלקיקים. המאיץ מייצר אלומת חלקיקים באנרגיה גבוהה, ו'מפציץ' באמצעותה את הגרעין עד שהוא מתפרק. תוצרי ההתפרקות נמדדים באמצעות גלאים רגישים ביותר, והממצאים מאפשרים לחוקרים לשחזר את האירוע, ולהסיק מסקנות לגבי מבנה הגרעין ומה שקורה בתוכו.

 

התגלית הנוכחית, המתייחסת למהירות התנועה של חלקיקים בתוך גרעין האטום, התגלתה במעבדת מאיץ האלקטרונים ג'פרסון שבווירג'יניה, ארה"ב. המחקר בוצע על ידי החוקרת מיטל דואר ממעבדתו של פרופ' פיסצקי, בהשתתפות חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת ODU בווירג'יניה, ארה"ב, והתפרסם בכתב העת Nature. למחקר תרומה חשובה, בין היתר, לחקר כוכבי הנויטרונים – הכוכבים הצפופים ביותר ביקום, אשר ככל הנראה קשורים לייצור היסודות הכבדים בעולמנו.

 

מהירים השניים מן האחד

"ידוע שהפרוטונים והנויטרונים (נוקלאונים) נעים בתוך הגרעין," מסביר פרופ' פיסצקי. "על פי רוב כל נוקלאון נע לבדו, אך אנו גילינו במחקרים קודמים שלעתים הם יוצרים זוגות. הזוגות הללו מורכבים כמעט תמיד מפרוטון ונויטרון. עוד מצאנו, שכאשר נוצר זוג, כל נוקלאון בזוג נע במהירות גבוהה בהרבה ממהירותו של נוקלאון בודד. מהירותו של נוקלאון בזוג כזה מגיעה ליותר ממחצית ממהירות האור."

 

במחקר הנוכחי בחרו החוקרים להתבונן בגרעיני אטומים של חומרים כבדים, כמו למשל עופרת. "בגרעינים כבדים, מספר הנויטרונים (בעלי מטען שלילי) גבוה משמעותית ממספר הפרוטונים (בעלי מטען חיובי)," אומר פרופ' פיסצקי. "הסיבה: מכיוון שלפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי, הם דוחים זה את זה, וקשה לקשור מספר גדול של פרוטונים יחד לגרעין יציב. לנויטרונים, לעומת זאת, אין מטען חשמלי, וניתן "לארוז" מספר גדול יותר בקלות יחסית. לכן בגרעין של אטום עופרת, לדוגמה, יש 126 נויטרונים, ורק 82 פרוטונים."

 

לכאורה, במצב שבו יש הרבה יותר נויטרונים, יש סיכוי גדול יותר להיווצרות זוגות של נויטרונים מבחינה סטטיסטית. "זה דומה למסיבה שבה יש פי 1.5 גברים (נויטרונים) ביחס לנשים (פרוטונים)," מסביר פרופ' פיסצקי. "במצב כזה יש לנשים הרבה יותר סיכוי לרקוד עם בן זוג, או במילים אחרות: בכל רגע נתון, אחוז הפרוטונים המצומדים לזוגות גבוה מאחוז הנויטרונים המצויים בזוגות. ומכיוון שלחלקיקים בזוג יש מהירות גבוהה יותר, שיעור הפרוטונים עם אנרגיה קינטית מוגברת גבוה משיעור הנויטרונים עם אנרגיה קינטית מוגברת.

 

ניתן לסכם זאת כך:

  • כמות הנויטרונים בגרעין באטומים של חומרים כבדים גבוהה בהרבה מכמות הפרוטונים בגרעין

  • הפרוטונים נצמדים לנויטרונים ליצירת זוגות, ומותירים נויטרונים רבים ללא זוג

  • לחלקיקים "בזוגיות" מהירות גבוהה יותר מחלקיקים בודדים

  • לכן, אחוז הפרוטונים המהירים בגרעין גבוה מאחוז הנויטרונים המהירים, אף על פי שמבחינה כמותית הפרוטונים במיעוט

 

"תגלית זו עשויה לגרום לשינוי חשוב במודלים המקובלים של כוכבי נויטרונים: להבנתנו בכל כוכב נויטרונים יש גם אחוז קטן של פרוטונים, ותנועתם בכוכב תושפע מהנויטרונים הקרובים להם, כפי שקורה בגרעינים." אומר פרופ' פיסצקי. "המחקר שלנו הוא מחקר של מדע בסיסי, ללא יישומים מידיים, אך מכיוון שהיקום כולו מורכב מהחלקיקים שאנו חוקרים, יש לממצאים שלנו משמעות רבה להבנת העולם בו אנו חיים, החל ברמה הבסיסית ביותר."

 

אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive