נשא כוח

בפיזיקת החלקיקים, נשאי כוח, הם חלקיקים אשר מאפשרים העברת כוח בין פרמיונים שהם חלקיקי חומר. לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, קיימים ביקום ארבעה כוחות יסודיים: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החזק, הכוח החלש וכוח הכבידה, הם פועלים בטווחים שונים ועצמתם שונה. המודל מסביר שלושה מכוחות היסוד - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החזק והכוח החלש - כנובעים מחילופי חלקיקים שהם נשאי כוח, השייכים לקבוצה רחבה יותר הקרויה בוזונים. נשאי הכוח הם קוונטים (אנגלית - quants, הערך הקטן ביותר של גודל פיזיקלי) של סוגי שדות מסוימים, כלומר, לפי תורת השדות הקוונטית, הם אלו שיוצרים את השדה. קיים סוג אחד של שדה לכל סוג של נשא כוח, אך לא בהכרח להפך. למשל, שדה אלקטרומגנטי, בו קוונטים הם פוטונים בלבד, ושמונת הגלואונים הם הקוונטים של שדה הכוח החזק, אבל את הכח החלש נושאים בוזוני W ו-Z נשאי הכוח המתווכים בכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש והכח החזק (בהתאמה - פוטונים, בוזוני W ו-Z וגלואונים) מכונים בוזוני כיול. בפיזיקת החלקיקים, הטבע מתואר במונחים של שדות (תורת השדות הקוונטית). לפיכך, ניתן להסביר כוח בין חלקיקים בשתי צורות. האחת, על ידי שדה שכל חלקיק יוצר סביבו, אשר משפיע על החלקיק השני - זהו הסבר שהיה מקובל בפיזיקה הקלאסית, החסרון שלו הוא הצורך במה שמכונה "פעולות רפאים ממרחק", כלומר השפעה של חלקיק על חלקיק מרוחק ממנו, בלי שום מגע ביניהם. ההסבר החלופי הוא שחלקיקים אלמנטריים מפעילים כוחות האחד על השני על ידי החלפת נשאי כוח, כלומר נשא כח נפלט מחלקיק אלמנטרי אחד ונקלט על ידי משנהו, כשהוא נושא תנע ואנרגיה. לכל כוח בסיסי יש נשא כוח משלו, שהוזכרו כבר קודם - פוטונים, גלואונים ובוזוני W ו-Z. נכון להיום, עדיין לא נמצא נשא הכוח של כוח הכבידה, אך ישנה השערה כי קיים חלקיק כזה, המכונה גרביטון, שהספין שלו יהיה 2. מציאת הגרביטון והסבר שישלב אותו בתורת השדות הקוונטית תוך שמירה על תאימות עם תורת היחסות הכללית היא אחת הדרכים האפשריות לאחד את שתי התורות הגדולות של הפיזיקה - תורת הקוונטים ותורת היחסות הכללית - ליצירת התאוריה של הכול, משימה שהטרידה את אלברט איינשטיין בשנותיו האחרונות ועודנה מטרידה פיזיקאים רבים. המודל הסטנדרטי כולל שלושה מתוך ארבעת הכוחות המוכרים לאדם: אלקטרומגנטי, גרעיני חזק, גרעיני חלש ואת כל נשאי הכוח שלהם, ומסביר כיצד הכוחות פועלים על כל חלקיקי החומר. עם זאת, כוח הכבידה אינו חלק מהמודל הסטנדרטי. עבור פיזיקת החלקיקים, כשמדובר בקנה מידה כה זעיר של חלקיקים, ההשפעה של כוח הכבידה היא חלשה במיוחד ואף זניחה, כך שהמודל הסטנדרטי עדיין עובד היטב למרות החוסר של אחד מכוחות היסוד ומתאר בצורה טובה מאוד את האפקטים שניתן לראות בניסויים בקנה מידה קטן, כמו מאיץ החלקיקים הגדול בז'נבה(CERN) ובפרט מנגש ההאדרונים הגדול (LHC). הרעיון של נשאי הכוח התחיל מהמאה ה -18, כאשר הפיזיקאי הצרפתי שארל-אוגוסטן דה קולון הראה שהכוח האלקטרוסטטי בין אובייקטים טעונים חשמלית עוקב אחר חוק הדומה לחוק הכבידה של ניוטון, מה שהעלה את האפשרות ששני הכוחות נובעים ממכניקה דומה. עם הזמן, מערכת יחסים זו נודעה בשם חוק קולון. בשנת 1905 הציע אלברט איינשטיין את קיומו של חלקיק אור, הפוטון שהתברר כנשא הכח האלקטרומגנטי, בתשובה לשאלה: "מה הם הקוונטים של האור?" בשנת 1923, באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, הפיזיקאי האמריקאי ארתור קומפטון הציג אפקט המכונה אפקט קומפטון, שההסבר הכי בסיסי עבורו הוא ההסתכלות על האור כעל זרם של חלקיקים בדידים, מה שסייע לשכנע את הקהילה המדעית בחלקיקי האור של איינשטיין. לבסוף, בשנת 1926, גילברט ניוטון לואיס הציג את המונח "פוטון", שהפך עד מהרה לשמו של חלקיק האור. Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory, Hutchinson, 1993, ISBN 0091773954, 9780091773953 The Particle Advanture - the fundamentals of matter and force The Standard Model, CERN Accelerating science