ניסוי חדש מטיל ספק בתיאוריה המובילה של הגרעין | מגזין קוונטה

מדידה חדשה של הכוח הגרעיני החזק, שמחבר פרוטונים וניוטרונים יחד, מאשרת רמזים קודמים לאמת לא נוחה: עדיין אין לנו הבנה תיאורטית מוצקה אפילו של המערכות הגרעיניות הפשוטות ביותר.

כדי לבדוק את הכוח הגרעיני החזק, הפיזיקאים פנו לגרעין הליום-4, שיש בו שני פרוטונים ושני נויטרונים. כאשר גרעיני הליום נרגשים, הם גדלים כמו בלון מתנפח עד שאחד הפרוטונים קופץ. באופן מפתיע, בניסוי שנערך לאחרונה, גרעיני הליום לא תפחו בהתאם לתוכנית: הם עלו בכדור פורח יותר מהצפוי לפני שהתפוצצו. מדידה המתארת ​​את ההתרחבות, הנקראת גורם הצורה, גדולה פי שניים מהתחזיות התיאורטיות.

"התיאוריה צריכה לעבוד," אמר סוניה באקה, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת יוהנס גוטנברג במיינץ ומחבר המאמר המתאר את הפער, שפורסם ב מכתבי סקירה פיזית. "אנחנו מבולבלים."

גרעין ההליום המתנפח, אומרים חוקרים, הוא מעין מיני-מעבדה לבדיקת תיאוריה גרעינית מכיוון שהוא כמו מיקרוסקופ - הוא יכול להגדיל חוסרים בחישובים תיאורטיים. פיזיקאים חושבים כי מוזרויות מסוימות בנפיחות זו הופכות אותה לרגישה ביותר אפילו למרכיבים הקלושים ביותר של הכוח הגרעיני - גורמים כה קטנים עד שבדרך כלל מתעלמים מהם. כמה הגרעין מתנפח מתאים גם ל רמקולים של חומר גרעיני, נכס המציע תובנות על הלבבות המסתוריים של כוכבי נויטרונים. אבל לפני שמסבירים את ריסוק החומר בכוכבי נויטרונים, פיזיקאים חייבים להבין תחילה מדוע התחזיות שלהם רחוקות כל כך.

בירה ואן קולק, תיאורטיקנית גרעינית במרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי, אמרה שבקה ועמיתיה חשפו בעיה משמעותית בפיזיקה גרעינית. הם מצאו, הוא אמר, מקרה שבו ההבנה הטובה ביותר שלנו לגבי אינטראקציות גרעיניות - מסגרת המכונה תיאוריית שדות אפקטיבית כיראלית - נכשלה.

"המעבר הזה מגביר את הבעיות [עם התיאוריה] שבמצבים אחרים אינן כל כך רלוונטיות", אמר ואן קולק.

הכוח הגרעיני החזק

גרעינים אטומיים - פרוטונים וניטרונים - מוחזקים יחד על ידי הכוח החזק. אבל התיאוריה של הכוח החזק לא פותחה כדי להסביר כיצד נוקלונים נדבקים זה לזה. במקום זאת, הוא שימש לראשונה כדי להסביר כיצד פרוטונים וניוטרונים עשויים מחלקיקים יסודיים הנקראים קווארקים וגלואונים.

במשך שנים רבות, פיזיקאים לא הבינו כיצד להשתמש בכוח החזק כדי להבין את הדביקות של פרוטונים וניוטרונים. בעיה אחת הייתה האופי המוזר של הכוח החזק - הוא מתחזק עם הגדלת המרחק, במקום לגווע לאט. תכונה זו מנעה מהם להשתמש בתחבולות החישוב הרגילות שלהם. כשפיזיקאים של חלקיקים רוצים להבין מערכת מסוימת, הם בדרך כלל מחלקים כוח לתרומות משוערות יותר ניתנות לניהול, מסדרים את התרומות מהחשובות ביותר לפחות חשובות, ואז פשוט להתעלם מהתרומות הפחות חשובות. עם הכוח החזק, הם לא יכלו לעשות זאת.

לאחר מכן ב- 1990, סטיבן וויינברג מצא דרך לחבר את עולם הקווארקים והגלואונים לגרעינים דביקים. החוכמה הייתה להשתמש בתורת שדות יעילה - תיאוריה שהיא מפורטת רק כפי שהיא צריכה להיות כדי לתאר את הטבע בקנה מידה מסוים של גודל (או אנרגיה). כדי לתאר את התנהגותו של גרעין, אינך צריך לדעת על קווארקים וגלואונים. במקום זאת, בקנה מידה אלה, מתגלה כוח יעיל חדש - הכוח הגרעיני החזק, המועבר בין נוקלונים על ידי חילופי פיונים.

עבודתו של וינברג סייעה לפיזיקאים להבין כיצד הכוח הגרעיני החזק יוצא מהכוח החזק. זה גם איפשר להם לבצע חישובים תיאורטיים המבוססים על השיטה הרגילה של תרומות משוערות. התיאוריה - תיאוריה אפקטיבית כיראלית - נחשבת כיום ל"תיאוריה הטובה ביותר שיש לנו", אמר באקה, לחישוב הכוחות השולטים בהתנהגות הגרעינים.

בשנת 2013, באקה השתמש בתיאוריית השדה האפקטיבית הזו כדי לחזות עד כמה יתנפח גרעין הליום נרגש. אבל כשהשוותה את החישוב שלה לניסויים שבוצעו בשנות ה-1970 וה-1980, היא גילתה סתירה מהותית. היא חזתה נפיחות פחותה מהכמויות שנמדדו, אבל פסי השגיאה הניסויים היו גדולים מכדי שתוכל להיות בטוחה.

גרעיני בלונים

אחרי אותו רמז ראשון לבעיה, באקה עודדה את עמיתיה במיינץ לחזור על הניסויים בני עשרות השנים - לרשותם היו כלים חדים יותר ויכלו לבצע מדידות מדויקות יותר. דיונים אלה הובילו לשיתוף פעולה חדש: סיימון קיגל ועמיתיו יעדכנו את העבודה הניסיונית, ובקה ועמיתיה ינסו להבין את אותה חוסר התאמה מסקרן, אם היא תופיע.

בניסוי שלהם, קיגל ועמיתיו ריגשו את הגרעינים על ידי ירי קרן אלקטרונים לעבר מיכל גז הליום קר. אם אלקטרון נכנס לטווח של אחד מגרעיני ההליום, הוא תרם חלק מהאנרגיה העודפת שלו לפרוטונים ולנייטרונים, מה שגרם לגרעין להתנפח. המצב המנופח הזה היה חולף - הגרעין איבד במהירות אחיזה באחד מהפרוטונים שלו, והתפרק לגרעין מימן עם שני נויטרונים, פלוס פרוטון חופשי.

כמו במעברים גרעיניים אחרים, רק כמות מסוימת של אנרגיה נתרמת תאפשר לגרעין להתנפח. על ידי שינוי המומנטום של האלקטרונים ותצפית כיצד הגיב ההליום, מדענים יכלו למדוד את ההתפשטות. לאחר מכן, הצוות השווה את השינוי הזה בהתפשטות הגרעין - גורם הצורה - עם מגוון חישובים תיאורטיים. אף אחת מהתיאוריות לא תאמה את הנתונים. אבל, באופן מוזר, החישוב שהגיע הכי קרוב השתמש במודל פשטני מדי של הכוח הגרעיני - לא תיאוריית השדות האפקטיביים הכיראליים.

"זה היה לגמרי לא צפוי," אמר באקה.

חוקרים אחרים מבולבלים באותה מידה. "זה ניסוי נקי ועשוי היטב. אז אני סומך על הנתונים", אמר לורה אליסה מרקוצ'י, פיזיקאי באוניברסיטת פיזה באיטליה. אבל, היא אמרה, הניסוי והתיאוריה סותרים זה את זה, כך שאחד מהם חייב לטעות.

הבאת איזון לכוח

במבט לאחור, לפיזיקאים היו כמה סיבות לחשוד שהמדידה הפשוטה הזו תחקור את גבולות ההבנה שלנו לגבי כוחות גרעיניים.

ראשית, מערכת זו היא עצבנית במיוחד. האנרגיה הדרושה לייצור גרעין ההליום המנופח לחלוף - חוקרי המדינה רוצים לחקור - נמצאת בדיוק מעל האנרגיה הדרושה לגירוש פרוטון וממש מתחת לאותו סף של נויטרון. זה מקשה על חישוב הכל.

הסיבה השנייה קשורה לתורת השדה האפקטיבית של ויינברג. זה עבד כי זה אפשר לפיסיקאים להתעלם מהחלקים הפחות חשובים של המשוואות. ואן קולק טוען שחלק מהחלקים שנחשבים פחות חשובים ומתעלמים מהם באופן שגרתי הם למעשה חשובים מאוד. המיקרוסקופ שמספק מדידת ההליום הספציפית הזו, הוא אמר, מאיר את השגיאה הבסיסית הזו.

"אני לא יכול להיות ביקורתי מדי כי החישובים האלה מאוד קשים", הוסיף. "הם עושים כמיטב יכולתם."

כמה קבוצות, כולל של ואן קולק, מתכננות לחזור על החישובים של באקה ולגלות מה השתבש. ייתכן שפשוט הכללת מונחים נוספים בקירוב הכוח הגרעיני עשויה להיות התשובה. מצד שני, יתכן גם שגרעיני ההליום המבלונים הללו חשפו פגם קטלני בהבנתנו את הכוח הגרעיני.

"חשפנו את החידה, אבל למרבה הצער לא פתרנו את החידה", אמר באקה. "עדיין לא."