ממה מורכב היקום? - הצצה פנימה לעולם החלקיקים האלמנטריים דר' גדעון בלע ודר' ארז עציון ביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה אוניברסיטת תל אביב http://particleadventure.org ימי עיון והרצאות בתחום הפיסיקה לתלמידי התיכון מאז.
Download ReportTranscript ממה מורכב היקום? - הצצה פנימה לעולם החלקיקים האלמנטריים דר' גדעון בלע ודר' ארז עציון ביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה אוניברסיטת תל אביב http://particleadventure.org ימי עיון והרצאות בתחום הפיסיקה לתלמידי התיכון מאז.
ממה מורכב היקום? - הצצה פנימה לעולם החלקיקים האלמנטריים דר' גדעון בלע ודר' ארז עציון ביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה אוניברסיטת תל אביב http://particleadventure.org ימי עיון והרצאות בתחום הפיסיקה לתלמידי התיכון מאז ומעולם אנשים שאלו את עצמם: ממה מורכב היקום? וכן מה מדביק את החומר? ממה מורכב היקום? • מדוע התכונות של דברים כה רבים בעולם הן כה דומות? • מסקנה עתיקה היא שהחומר מורכב ממספר לבני בנין בסיסיות! • בסיסי -פשוט ,חסר מבנה ולא מורכב משום דבר אחר קטן יותר יוון העתיקה 4 :יסודות (הפילוסוף היווני אמפדוקלס-המאה החמישית לפנה”ס) כיום אנחנו יודעים כי יש משהו בסיסי יותר מאש מים אדמה ואויר -האטום כה אמר דמוקריטוס ( 400לפנה"ס): "מוסכם כי יש צבע, מוסכם כי קיימת מתיקות, מוסכם כי קיימת מרירות, אך במציאות יש רק אטומים ומרחב" אך האם האטום הוא באמת חלקיק היסוד ? האם האטום הוא באמת חלקיק היסוד? בתחילת המאה הקודמת הניחו כי האטומים הם כדורים קטנים. •העובדה שניתן למיין את חומרי היסוד ע”פ תכונותיהם הכימיות פתחה פתח לאפשרות נוספת -האטום אינו חלקיק יסודי מניסיונות פיזור נלמד כי לאטום מבנה פנימי ולא סתם מבנה כדורי בניסיונות אלו אובחן האטום כבעל גרעין דחוס ,טעון חיובית וסביבו "ענן" של אלקטרונים האם הגרעין הוא חלקיק היסוד? שנים רבות אחר כך גילו כי הגרעין מורכב משני סוגים של “לבני בניין”: – פרוטונים – ונויטרונים האם הפרוטון והנויטרון הם חלקיקי היסוד? • גם זה מסתבר אינו נכון -הפרוטון והנויטרון מורכבים מחלקיקים בסיסיים יותר המכונים -קווארקים • כיום מאמינים הפיסיקאים כי האלקטרונים והקווארקים הם חלקיקי יסוד •אך זה בינתיים פתוח לניסיון מודל האטום התמונה מעוותת כי אם היינו רוצים לשמור על סקלה אחידה – • לפרוטון בקוטר ס”מ מתאים אלקטרון או קוורק בקוטר של פחות משערה! • וכן קוטר האטום כולו פי 30מאורך מגרש כדורגל! קנה מידה בעולם החומר פיסיקאים מנסים לצוד חלקיקים חדשים בכדי ללמוד ולהבין איך מורכב העולם ,תמיד נשאלת השאלה האם החלקיק החדש הוא אכן חלקיק יסוד מעל ( 200רובם לא חלקיקי יסוד) סלח לי ,האם אתה חלקיק יסוד? • תאוריה המנסה לתאר את כל החומר והכוחות ביקום (מלבד הגרביטציה) -יופיה ביכולת לתאר מאות חלקיקים ותהליכים מורכבים ע”י מספר קטן של חלקיקים אלמנטריים וכוחות. • חלקיקים נושאי כוח -כל כח יסודי נישא ע”י סוג מסוים של חלקיק מתאים .הפוטון ,למשל ,נושא את הכוח החשמלי. • חלקיקי חומר -רוב החומר שאנו מכירים מורכב מקווארקים ,מחלקה אחרת של חלקיקים נקראים לפטונים ונציג אחד הוא האלקטרון. סיכום של המודל האחיד המודל האחיד הוא יפה כי ניתן להסביר באמצעותו את כל עולם החומר ע”י: • 6סוגי קווארקים • 6סוגי לפטונים • 4חלקיקים נושאי כוח בהמשך נסביר את הקשרים בין החלקיקים והכוחות לפטונים • • • • הלפטון הידוע -האלקטרון חבריו מיואון וטאו כבדים ממנו (פי )3550 ,200 מטענם החשמלי שלילי השלישיה הנוספת - הנויטרינו דרך כף יד עוברים כשני מיואונים לשנייה (קרינה קוסמית) מסה ואנרגיה 2 E=mc נויטרינו לפטון חסר מטען וכמעט חסר מסה ,בעל עבירות מעולה בחומר. נוצר בהרבה דעיכות לדוגמא: n p e וכך גם הוא נצפה לראשונה. כמות גדולה ביקום מאחר והם כמעט לא מתקשרים עם הסובב אותם (פתרון לבעיית החומר החסר?). דרך כף יד עוברים כ 10000000000000 -נויטרינים מהשמש בשנייה! ( 13אפסים) שלוש משפחות הלפטונים: • הלפטונים הם חלקיקי יסוד אשר בניגוד לקוורקים יכולים להימצא בטבע בנפרד ,לא בצמוד לאף אחד אחר. • עד היום לא התגלה שום סימן לכך שללפטונים יש מבנה פנימי כלשהו. הקוורקים • בדומה ללפטונים 3משפחות -זוגות של קוורקים • כל אחד נושא שבר מטען חשמלי ( 2/3או )-1/3 אנטי-חומר • לכל חלקיק אנטי-חלקיק הזהה לו בכול ,פרט למטען • הפגשת חלקיק באנטי-חלקיק שלו תגרום להשמדה דרך חלקיק נייטרלי נושא כוח כגון ה ,Zהפוטון או הגלואון • סימון: אלקטרון e e פרוטון p p ניטרון n n חידה (אמיתית) אם כל ההבדל בין חומר לאנטי חומר הוא המטען ,אם כך מדוע רוב החומר ביקום הוא חומר ולא אנטי חומר? לאן נעלם האנטי חומר? גילוי הקוורקים בתחילת שנות השישים גילו מורי גלמאן ויובל נאמן סימטריה חדשה שמשמשת לסיווג של מאות החלקיקים שהיו ידועים עד אז. בהמשך התברר שסימטריה זו קשורה בשלושה חלקיקי יסוד שמהם מורכבים כל יתר החלקיקים. גלמאן כינה אותם קוורקים. תכונתם המיוחדת הייתה שבר המטען שמעולם לא נצפה בניסיון. מאוחר יותר הניסיון שכנע כי אלו לא רק פיקציות מתמטיות איך קיבלו הקוורקים את שמותיהם? שני הקוורקים הקלים (מהם מורכב מרבית העולם) נקראים UPוDOWN- הקוורק השלישי קיבל את שמו - STRANGEבגלל זמן החיים הארוך והלא צפוי של ה Kהמכיל קוורק זה. הפתעה התחוללה ב 1974-עם גלוי הקוורק הרביעי במקביל ב SLAC-וב Brookhaven-הקוורק כונה .CHARM הקוורקים החמישי והשישי כונו בעבר BEAUTY & TRUTH אבל אפילו הפיסיקאים הבינו שזה מוגזם.. ב 1977-התגלה ה BOTTOM-בFERMILAB- מצוד ארוך אחרי הקוורק השישי הסתיים רק ב1995-עם גילוי הקוורק ,TOPשכבד פי 35000מהקוורקים הקלים שלושה טעמים הדרונים בניגוד ללפטונים החיים בנפרד ,הקוורקים לעולם לא נמצאים לבד ,אלא באחת משתי האפשרויות: בריונים :הדרונים המורכבים מ ,qqq-למשל :פרוטון ()uud או הנויטרון ()udd ומה מחזיק אותם ביחד? כוחות "צבע"! מזונים הדרונים המורכבים מצמד קוורק ואנטי-קוורק למשל: הפיון ()ud ארבעת הכוחות היסודיים גרביטציה •לא נכללת במודל הסטנדרטי. •מבחינה מקרוסקופית, מתוארת ע"י תורת היחסות הכללית של אינשטיין שהחליפה את חוק הגרביטציה של ניוטון. •מבחינה מיקרוסקופית – נישאת ע"י הגרביטון שעדיין לא התגלה. מהו הכוח האלקטרומגנטי? אלקטרומגנטיות • מרבית התופעות שאנו חוזים בהם בחיי היום יום • חשמל ומגנטיות -שתי פנים לאותה מטבע • נושא הכוח -הפוטון הכוח החזק • • • • כוח ה"צבע" הדבק של ההדרונים פועל רק על מזונים, בריונים ,קוורקים נושא הכוח – הגלואון g - הכוח החלש • הכוח החלש אחראי לכך שקיימת דעיכה מחלקיקים יסודיים (קוורקים ולפטונים) כבדים לחלקיקים קלים יותר ,עד שמגיעים לקלים ביותר. • דוגמה n-> p e :נובע בעצם מd-> u e : נושאי הכוחW,Z : בדיקה ניסויית • הנחה תיאורטית • ביצוע ניסוי • ניתוח תוצאות הניסוי והשוואתן להנחה בדיקת מבנה האטום -ניסוי רתרפורד ()1910 משקפת של חיידקים... אניהילציה של אנטי-פרוטון בתא בועות • האנטיפרוטון נכנס בתחתית התמונה • פוגע בפרוטון ויוצר 4זוגות של פיון – אנטי-פיון • אחד הפיונים מתפרק למיואון ונייטרינו מאיצי חלקיקים מטרה קבועה: אלומות מתנגשות: מאיץ קווי: מאיץ טבעתי: CERN המעבדה האירופאית למחקר חלקיקים אלמנטריים מנהרה בעומק 100מ' ובהיקף של 27ק”מ אנרגיית ההתנגשות: LEP (e+e-) – 2*1011 eV LHC (pp) - 14*1012 eV גלאי חלקיקים איזה בלגן! (או :בלי מחשב אנחנו אבודים) סוף דבר -לאן אנחנו הולכים? המודל האחיד אכן מספק לנו תשובות להרבה מהשאלות ששאלנו ומסדר תמונת עולם יפה ופשוטה אבל עדין משאיר הרבה חורים ושאלות פתוחות כגון: • למה רק שלוש משפחות של חלקיקים? האם הלפטונים והקוורקים אכן חלקיקי יסוד? • מה הסיבה להבדלי המסה בין החלקיקים השונים? • מדוע כמות החומר ואנטי-חומר ביקום אינן זהות? • מה קורה עם הגרביטציה? ממה מורכב החומר האפל? האנרגיה האפלה? מה גרם לאינפלציה? כדי לענות על שאלות מסוג זה המחקר ממשיך ומתפתח, נבנים מאיצים באנרגיות הולכות וגדלות ,התיאוריה ממשיכה לגשש קדימה -והכול בצייד אחר אותם חלקיקי יסוד קטנטנים שבלעדיהם ... ממה מורכב היקום? - הצצה פנימה לעולם החלקיקים האלמנטריים דר' גדעון בלע ודר' ארז עציון ביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה אוניברסיטת תל אביב http://particleadventure.org ימי עיון והרצאות בתחום הפיסיקה לתלמידי התיכון