פיזיקאים תיאורטיקנים: גילינו חלקיק המפעיל את הכוח החמישי בטבע

ראיון עם אחד החוקרים, יפתח גל-און, העושה כעת בפוסט דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה באירווין.

ממצאים המעידים על גילוי אפשרי של חלקיק תת-אטומי בלתי ידוע עד כה, עשויים להעיד על קיומו של כוח חמישי בטבע. כך עולה ממאמר שפורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters על ידי פיזיקאים תיאורטיקנים באוניברסיטה קליפורניה, אירווין.

בראש המחקר עמד פרופ' ג'ונתן פנג, ושותפים בו ברטוש פורנאל, יפתח גלאון, סוזן גרדנר, ג'ורדן סמילונסקי, טים טייט ופיליפ טנדו.

"אם זה נכון, זה מהפכני", אמר ג'ונתן פנג, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת קליפורניה באירווין. "במשך עשרות שנים היכרנו את ארבעת הכוחות הבסיסיים: כבידה, אלקטרומגנטיות, ואת הכוחות הגרעיניים החזק והחלש. אם יאושר על ידי ניסויים נוספים, הגילוי הזה של כוח חמישי אפשרי ישנה לחלוטין את הבנותינו על אודות היקום, ויש לכך השלכה על איחוד כוחות ועל הגורם לחומר האפל." אומר פנג.

גלאון, פוסט דוקטורנט באוניברסיטת קליפורניה באירוונג שאת הדוקטורט שלו עשה אצל פרופ' יעל שדמי, מסביר בשיחה עם אתר הידען: "נתקלנו במחקר שהתפרסם באמצע 2015 על ידי פיסיקאי גרעין נסייניים באקדמיה ההונגרית למדעים שחיפשו "פוטונים כהים," חלקיקים שיסמלו את החומר האפל, אשר פיסיקאים אומרים כי הוא מהווה מעל 85 אחוזים מהמסה של היקום. "החוקרים ההונגרים חשפו אנומליה בהתפרקות רדיואקטיבית, אשר מצביעה על קיומו של חלקיק קל הכבד רק פי 30 מהאלקטרון."

"החוקרים ההונגרים, במתקן שנקרא אטומקי, השתמשו במחולל פרוטונים וירו על מטרה עשויה ליתיום, וכתוצאה מהפגיעה נוצר בריליום 8, איזוטופ נדיר המיוצר בתגובות גרעיניות. כמו לאטום המימן גם לאטום בריליום יש מצבים מעוררים אך באנרגיות הרבה יותר גבוהות – פי מיליון מאטום המימן. בגלל הפרשי הרמות אפשר לא רק לפלוט ספקטרום של אור כמו במימן אלא גם זוגות של אלקטרון פוזיטרון כשהגרעין עובר מהמצב המעורר למצב היסוד."

"לפני שביצעו את הניסוי הם ידעו כיצד התוצאות של פליטת אלקטרון-פוזיטרון אמורות להראות לפי התיאוריה, במידה ומדובר בפוטונים אפלים. הם ציפו לראות משהו חלק, במקום זאת ראו קפיצה בנתונים שלהם, שצריך לפרש כחלקיק חדש. האנליזה שלנו לקחה את התוצאות שלהם ופירשה מה החלקיק הזה יכול להיות. הגענו למסקנה שמדובר אכן בחלקיק חדש – נושא כוח חמישי שבעיקרו פרוטופובי – כלומר -לא אוהב לדבר עם הפרוטונים." מסביר גלאון.

כולנו מכירים את ארבעת כוחות הטבע – הכבידה, הכוח האלקטרו מגנטי, והכוחות הגרעיניים החזק והחלש. מטען חשמלי מערב פרוטונים ואלקטרונים אך לא ניוטרונים – החלקיקים הנייטרליים באטום. הכוח הזה מדבר עם ניוטרונים ואלקטרונים אך לא עם פרוטונים, שאיתם הוא מדבר בצורה יחסית חלשה. המשמעות היא שאם אכן זה נכון הדבר ישנה את כל מה שאנחנו יודעים על המודל הסטנדרטי – שמתאר שלושה מתוך ארבעת הכוחות – הכוח הגרעיני החזק, הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי ואם נגלה כוח חמישי נצטרך לתקן את התפיסות שלנלו לגבי איך הטבע מתנהג – נצטרך להרחיב את המודל הסטנדרטי."

עוד מוסיף גלאון: "מה שמעניין הוא שהדבר נעשה באנרגיות נמוכות, פי מיליון מהאטום אך חלש בהרבה מהאנרגיות הנוצרות במאיץ ההדרונים הגדול -LHC בסרן. מדובר במשהו כמו שישה סדרי גודל."

האם ניתן 'לגלות' את החלקיק החדש בנתוני ריצות קודמות של המאיץ בסרן?

גלאון: "יש הצעה לחיפוש בנתוני ה-LHC של ניסוי LHCb העוסק בעיקר במדידות מדויקות של מזוני B אבל יש לו מערכת עם רזולוציה גבוהה ולכן היא יכולה לגלות חלקיקים מהסוג הזה. יש צורך לבצע אנליזה לנתונים קיימים ולנתונים שנכנסים כל הזמן. אם הרזולוציה מספיק טובה ניתן יהיה לבחון את התיאוריה. ישנם ניסויים באיטליה וברוסיה שמסוגלים לגלות את החלקיק באמצעות אלקטרונים או פוזיטרונים הפוגעים במטרה.

כמו פריצות דרך מדעיות רבות, גם החלקיק הנוכחי, התיאורטי עדיין, פותח שדות חדשים לגמרי של מחקר. כיוון אחד הוא האפשרות כי הכוח חמישי הפוטנציאלי הזה עשוי להיות הגורם המאחד בין הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים והכוח האלקטרו מגנטי. "גילויים של כוח אחד מפואר בסיסי יותר."

מה הסבירות שזה לא כוח חדש?
"כמו תמיד, יש צורך לוודא את התוצאה. אם הפרשנות שלנו לניסוי ההונגרי נוגעת לאותם הפרמטרים כמו שאנחנו מבינים אותו אפשר יהיה לוודא אותו בניסויים עתידיים כמו שציינתי ב-LHCb. מכיוון שהכוח החדש גם מתקשר עם אלקטרונים ופוזיטרונים יש גם ניסויים במאיצים של אלקטרון פוזיטרון שיש להם יכולת עקרונית לחקור את החלקיק הזה.