משתמש:Avneref/מדע/פיזיקה/QED

What Is (Almost) Everything Made Of? QED

בכנס האי שלטר , 1947 הוצגו 2 בעיות במכניקת הקוונטים:

• הסחת לם
• הסטיה במדידת (g-factor (physics)) של המומנט מגנטי של האלקטרון מהערך שקבע פול דיראק: 2.
  • פוליקרפ קוש מדד: 2.00238; כיום ידוע: 2.00231930436

ג'וליאן שווינגר (נובל ביחד עם ריצ'רד פיינמן, 1965) פתר: יש חלקיקים וירטואליים (*: זה רק הסבר לסטיה של 2%; יש סטיה גדולה יותר שהסביר הנס בתה ב-1947).

כעת צצה שאלה: אולי עוד כוחות מלבד הכוח האלקטרומגנטי הם לא יותר מתנודות של שדות קוונטיים? שני בוגרים של ביה"ס התיכון של ברונקס (Bronx High School of Science), שלדון גלאשו וסטיבן ויינברג, המשיכו לאוניברסיטת קורנל (אחרי שאבא של ויינברג הסיע אותם בין קולג'ים), וזכו בנובל באותה שנה על תרומה נפרדת לאותו גילוי. גלאשו עבר לאוניברסיטת הרווארד לדוקטורט בהנחיית שווינגר, שביקש ממנו לבדוק אם שדה קוונטי יכול להסביר גם את הכוח החלש (שאחראי לדעיכה רדיואקטיבית). הוא גילה תהליך שבו נייטרון (udd) הופך לפרוטון (uud) בתוספת אלקטרון, ואנטי-נייטרינו אלקטרוני - קרינת בטא מינוס: $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ מה שמאפשר את התהליך הוא הכוח החלש (= משנה טעם של אחד הקווארקים בנייטרון (udd), מ-down ל-up). בדומה לכוח האלקטרומגנטי, את הכוח החלש נושאים חלקיקים וירטואליים (בוזוןים, נושאי כוח) שנעלמים; ויינברג סימן אותם ב-+W, W- (ל-Weak); אבל המשוואות הצריכו בוזון נוסף, וזה נקרא Z (בגלל מטען חשמלי Zero).

גם התהליך ההפוך אפשרי (בטא פלוס): $\ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}$

הכוח החלש אינו חלש באיטראקציה; הוא נקרא כך כי הבוזונים שלו פעילים במרחק קצר מאוד: ‎10^-13‎ מ', בגלל זמן מחצית חיים של ‎3×10^-25‎ שניות. בהתאמה לעיקרון האי-ודאות, זמן מחצית החיים הקצר (שפירושו ודאות גדולה בזמן) - פירושו ודאות קטנה בתנע (ובאנרגיה), ולכן הבוזונים "מלווים" מהריק אנרגיה גבוהה; לכן האנרגיה שלהם גדולה פי כ-100 מזו של פוטון, או פי 160,000 משל אלקטרון.

ויינברג שיער, שהכוח האלקטרומגנטי והחלש היו מאוחדים ברגע לידת היקום; הבעיה: להסביר כיצד הפך השדה הקוונטי של הכוח האלקטרו-חלש עם שני סוגי בוזונים (פוטון ו-W,Z) חסרי מסה - לשני שדות קוונטיים, אחד מהם עם בוזונים מסיביים? -

ויינברג סיפק הסבר עם שדה אלקטרו-חלש ובו 4 בוזונים W1,2,3,b; ושדה H ובו H+,H-,H0,h. שדה H פועל על שדה W ומפצל אותו לשדה אלקטרומגנטי ולשדה חלש; שדה H מעניק לבוזונים W מסה, כך: W1 מתאחד עם H+ ל-W+, בוזון W2 עם H- ל-W-, בוזון W3 עם H0 ל-Z (ללא מטען), ואילו בוזון h (Higgs) נשאר לבדו, וכך בוזון b הופך לפוטון, ללא מסה.

יש המכנים תאוריה זו QFD. היא לא רק הסבירה, אלא סיפקה ניבוי - בוזון היגס. גלאשו ו-ויינברג זכו בנובל ב-1979 עם עבדוס סלאם; ההיגס התגלה ב-?

האם גם חלקיקי הגרעין הם בעצם שדות רוטטים? - מארי גל-מאן ו-? שיערו בנפרד את קיומם של קווארקים; אין שדה של פרוטון או של נייטרון, אלא שדות של קוארק u ושדה של d, רוטטים יחד.

QCD

ממה עשוי הכל? - היסטוריה של היקום

• הכוח החזק: נישא ע"י גלואוןים.
• ב-1964 התגלה חלקיק אומגה מינוס שמורכב מ-3 קואארקים "קסם", לשלושתם ספין 1/2+, לכאורה בניגודל לעקרון האיסור של פאולי. וולי גרינברג (Oscar W. Greenberg) קבע שלכל קווארק יש "צבע": RGB (בהשראת ג'יימס קלארק מקסוול, שהראה שערבוב 3 צבעים אלה מניב לבן; כך ערבוב 3 הקווארקים מניב חלקיקים "נייטרליים מבחינת צבע": פרוטון, נייטרון ואומגה-).
• סיכום הבוזונים: הכוח האלקטרומגנטי - פוטון; החלש - W+,W-,Z; החזק: 8 גלואונים.
• 99% מהקוארקים שבפעילות הם וירטואליים! רק 1% קוארקים יציבים.
• הכוח החזק רק מתחזק עם המרחק - קוארק שמתרחק נמשך חזק יותר, כמו רצועת באנג'י; במאיץ חלקיקים אפשר לקרוע את הרצועה, ועודף האנרגיה נשמר בצורת זוג חלקיקים וירטואלים, מזונים. אבל הקוארק עדיין נשאר קשור. רק אז אפשר להבחין ב"צבעים" של הקוארקים.
• הכוח שמזונים (שהם גם גלואוןנים) נושאים, שמחבר בין נוקליאוןים, נקרא "הכוח הגרעיני החזק" (שאינו כוח יסודי) - להבדילו מהכוח החזק שמחבר קוארקים.

סיכום

17 שדות קוונטיים:

• 4 שקשורים לבוזונים נושאי כוחות: פוטון, W, Z וגלואון.
• 6 שדות קוארקיים, אחד לכל קוארק
• 6 שדות של לפטוןים (שלא מושפעים ע"י הכוח החזק): אלקטרון, טאו, מיואון, ו-3 הנייטריני שלהם
• שדה היגס