5.7 הנייטרון

דף הבית ／ פרק 5: חלקיקים מיקרוסקופיים

מדריך קריאה: מדוע אנו מוסיפים דימוי חומרי של אריג רב־טבעות

שפת החלקיק הנקודתי והפירטונים מיטיבה עם חישובים וחיזוי, אך חסרה שכבה חומרית שמחזירה את האינטואיציה הגאומטרית. הפרק הזה ממלא את החסר מבלי לסתור נתונים מדודים. נבהיר דילמות חזותיות ותיקות כגון חלקיק ניטרלי חשמלית בעל מומנט מגנטי מדיד, סימן שלילי לרדיוס המטען הממוצע בריבוע, הסיבה לכך שנייטרון חופשי מתפרק בקלות בעודו יציב בתוך גרעין, מדוע המומנט הדיפול החשמלי קרוב לאפס, וכיצד מבנה השדה הקרוב עובר ברכות להתנהגות השדה הרחוק.

I. כיצד הנייטרון נקשר יחד: אריג רב־טבעות עם ניטרליות חשמלית מובנית

בים אנרגיה, כאשר הצפיפות ומתח הטנזור מתאימים, כמה סיבים אנרגטיים מתרוממים ונסגרים לטבעות משנה. רצועות קשירה במתח גבוה משחלות את הטבעות לאריג קומפקטי. כמו בפרוטון, גם כאן מדובר במשפחה של טבעות רבות המשתלבות יחד עם רצועות קשירה, אך ההטיה ההליקלית בחתך שונה. חלק מן הטבעות חזקות כלפי חוץ וחלשות כלפי פנים ונראות חיוביות, אחרות חזקות כלפי פנים וחלשות כלפי חוץ ונראות שליליות. אחרי מיצוע על פני הזמן והקבוצה, המרקמים הפונים החוצה והפנים מבטלים זה את זה במרחב הביניים והמרחב הרחוק, ולכן מתקבלת ניטרליות חשמלית.

רצועות הקשירה אינן צינורות קשיחים אלא מסדרונות במתח גבוה שבהם כיוון הטנזור של התווך נמתח. לאורך המסדרונות יכולים לנוע חבילות גל מקומיות של פאזה ואנרגיה כאירועי החלפה וחיבור מחדש. מספר נקודות הנעילה והזוגיות של דגם האריגה מצביעים על תנאים בדידים. רק סידורים מסוימים מניבים ניטרליות. חלון היציבות נקבע על ידי סגירה, נעילת פאזה, איזון מתחים, ספי גודל ואנרגיה ומגבלות גזירה חיצוניות. מחוץ לחלון המבנה נמס אל הים, ובתוכו הנייטרון ארוך ימים.

II. הופעת המסה: קערה רדודה סימטרית ומדוע היא כבדה מעט מן הפרוטון

כאשר הנייטרון שקוע בים האנרגיה הוא כמו לוחץ החוצה קערה רדודה סימטרית בעומק ובפתח הדומים לאלו של פרוטון. ריבוי הטבעות ורצועות הקשירה מייצבים קערה איזוטרופית ורגועה. אינרציה נוצרת מכיוון שהסטת הנייטרון מזיזה גם את הקערה ואת הסביבה הקרובה. ככל שהאריג הדוק יותר, ההתנגדות לשינוי גדלה. כאלמנט מושך ומכווין, הקערה מעצבת מחדש את נוף הטנזור המקומי ומנתבת חבילות גל חולפות. כדי להשיג ביטול מטען הנייטרון משלם תוספת מבנית קטנה באריגה, בנעילה ובקישור לעומת פרוטון. כך מתקבלת אינטואיטיבית מסה כמעט זהה אך מעט גדולה יותר. הערכים המספריים נשענים על מדידות מקובלות.

III. הופעת המטען: מבנה בשדה הקרוב ואפס בשדה הרחוק, מקור הסימן השלילי של הרדיוס

אפשר לראות את השדה החשמלי כהמשך רדיאלי של מדרון הכיוונים ואת השדה המגנטי כליפוף אזימותלי של תנועה או זרימה פנימית. בשדה הקרוב, הטיות משולבות של חזק החוצה וחזק פנימה חורטות סביב הטבעות מרקמים הפונים החוצה והפנים. בשדה הביניים הפרטים מוחלקים, ובשדה הרחוק נשאר רכיב מסתי בלבד ולכן המטען נטו הוא אפס.

הסימן השלילי של רדיוס המטען הממוצע בריבוע נעשה טבעי. התרומה שנראית שלילית שוקלת מעט יותר בשפה החיצונית, והתרומה החיובית קרובה מעט יותר למרכז. ממוצע משוקלל לפי רדיוס נוטה לכן לשלילה. הסבר זה אינו משנה גורמי צורה מדודים ואף לא גבולות רדיוס, אלא רק מבהיר את מקור הסימן.

IV. ספין ומומנט מגנטי: ניטרליות חשמלית איננה היעדר מגנטיות

הספין נוצר מסופרפוזיציה של זרימות סגורות ותבי פאזה של טבעות המשנה. קשרי הנעילה מעניקים ספין נטו של חצי. אף שמרקמי המטען מתבטלים, סכום הזרמים הטבעתיים האפקטיביים והשטף הטורואידי יכול להיות שונה מאפס. כיווניות דומיננטית ומשקלים קובעים את כיוון ועוצמת המומנט המגנטי, שסימנו הפוך לכיוון הספין, בהתאם לניסויים. תורת הסיבים האנרגטיים רואה בהתאמה לסימן ולעוצמה הנמדדים דרישה מחייבת. בתחומי כיווניות חיצוניים הספין מבצע פרססיה רגילה. המומנט הדיפול החשמלי קרוב לאפס הודות לביטול סימטרי מאוד, ומותרים רק הדים קטנים, קוויים, הפיכים וברי כיול תחת מדרון טנזור בשליטה ובגבולות מחמירים.

V. שלוש תמונות המתחברות לכלל שלם: טורואיד רב־טבעות, כרית רכה בקצה, וקערה רדודה סימטרית בציר

מקרוב, יש לדמות טורואיד עם טבעות סגורות רבות המשולבות זו בזו. על הטבעת הראשית והעבה נראית חזית פאזה כחולה וספירלית. חלק מן הטבעות חזקות החוצה וחלקן חזקות פנימה, ולכן השדה הקרוב עשיר מרקמים. במרחק ביניים, הכרית הרכה בקצה מחליקה את הפרטים, וביטול המטען נעשה בולט. מרחוק נותרת קערה רדודה סימטרית בציר, חתימת מסה יציבה ואיזוטרופית. המופע החשמלי מתפוגג.

VI. קנה מידה ונראות: פנימה מורכב, החוצה קריא

הליבה קטנה מאוד ורב־שכבתית ועל כן דמות ישירה של התבנית הפנימית אינה מעשית כיום. פיזור באנרגיה גבוהה בחלונות קצרים של אורך וזמן מניב גורמי צורה כמעט נקודתיים, כידוע מתצפיות. פיזור אלסטי ומקוטב עשוי להסיק סימן שלילי לרדיוס המטען הממוצע בריבוע ולקבוע קיטוביות חשמלית ומגנטית חלשות מאוד. אינטואיציית תורת הסיבים האנרגטיים של שלילי בשפה וחיובי פנימה מתיישבת עם הכיוונים האלה, והערכים המספריים נשענים על מאגרי נתונים תקניים. המעבר מן השדה הקרוב אל השדה הרחוק חלק, ובמרחקים גדולים רואים את הקערה ולא את אריג הביטול הדק.

VII. היווצרות והמרה: סיפור חומרי של דעיכת בטא מינוס

באירועים של מתח וצפיפות גבוהים כמה סיבים מתרוממים, נסגרים ונעולים ברצועות קשירה וכך נוצרת ניטרליות חשמלית של נייטרון. במצב חופשי, אם גזירה חיצונית או אי־התאמה פנימית מקטינות את יתרון הביטול, המערכת מחפשת נעילה מחדש חסכונית יותר. חלק מן הטבעות מסתדר לכיוון דומיננטיות פרוטונית של חזק החוצה וחלש פנימה. חלק אחר, לאורך מסדרונות החיבור מחדש, מושך סיב ומגרע אלקטרון. הפרש פאזה ותנע מוצא את דרכו כחבילת גל של אנטינוטרינו אלקטרוני. בקנה מידה מאקרוסקופי זהו תהליך דעיכת בטא מינוס. מאזן האנרגיה והתנע נסגר בין הסיב לים, ושמורות המטען, האנרגיה, התנע, התנע הזוויתי ומספרי הבריונים והלפטרונים.

VIII. בדיקה מול התאוריה המודרנית: היכן יש התאמה ומה מוסיפה השכבה החומרית

התאמות קיימות בספין חצי, במומנט מגנטי שאינו אפס ובסימן שלילי, ובחוקי פרססיה כנהוג. נשמרים ניטרליות וסימן שלילי לרדיוס באמצעות הסידור של שפה שלילית וליבה חיובית. התנהגות פיזור כמעט נקודתית ממשיכה להופיע באנרגיות גבוהות ובזמנים קצרים.

השכבה החומרית מוסיפה סיבה גאומטרית קונקרטית לניטרליות במקום תווית חיצונית. הדעיכה זוכה לסיפור חזותי של חיבור מחדש וגרעון. השדות החשמלי והמגנטי חולקים גאומטריה אחת של שדה קרוב. החשמלי הוא מדרון כיוונים רדיאלי, והמגנטי הוא ליפוף אזימותלי של תנועה. שניהם פועלים באותו חלון זמן.

קוהרנטיות ותנאי שפה. בשדה הרחוק המטען נטו הוא אפס, הרדיוס השלילי והגורמים האלקטרומגנטיים נותרים בגבולות מדידה, ודימוי של שפה שלילית וליבה חיובית אינו מציג רדיוסים או דגמים חדשים מדידים. הספין נותר חצי והמומנט המגנטי שלילי ואינו אפס בעוצמה תואמת מדידות שוטפות. כל הטיה סביבתית זעירה חייבת להיות הפיכה, ניתנת לשחזור ובר־כיול, ולהישאר בתוך חוסר הוודאות הנוכחי. בתהליכים בלתי אלסטיים עמוקים ובערכי תנע מרובע גבוהים התגובה מתכנסת לדגם פירטונים ואינה מציגה מבני זווית או קני מידה של אורך הסותרים ניתוחים תקניים. בתווך אחיד המומנט הדיפול החשמלי כמעט אפס, ותחת מדרון טנזור בשליטה מותרות רק תגובות קטנות וקוויות שניתן להפעיל ולכבות ושעוברות בדיקות קוֹליות. קיטוביות חשמלית ומגנטית וכן אורכי פיזור וחתכי פיזור נייטרון גרעין נשארים בתחומים ידועים, וההמחשה אינה משנה ערכים אלה. הסיפור החומרי של בטא מינוס מכבד את שימור המטען, האנרגיה, התנע, התנע הזוויתי ואת מספרי הבריונים והלפטרונים. יציבות בגרעין משקפת חיזוק יעיל של רצועות קשירה ועיצוב מחדש של נוף הטנזור בהתאם לספקטרום גרעיני מוכר.

IX. רמזים לתצפית: מישור התמונה, קיטוב, זמן וספקטרום אנרגיה

במישור התמונה צפויה הדגשה שלילית קלה בשפה תוך שמירה על ניטרליות כללית. בקיטוב יש לחפש רצועות חלשות או הסטות פאזה העולות בקנה אחד עם שפה שלילית וליבה חיובית. בתחום הזמן עירור בדופק עשוי לייצר הדים קצרים של חיבור מחדש. סקלת הזמן נעה עם עוצמת רצועות הקשירה ועם עומק הנעילה. בספקטרום האנרגיה של סביבות מעובדות מחדש ייתכן רם קל של מקטע רך ופיצולים זעירים הקשורים לביטול כפול. המשרעת עוקבת אחר רצפת הרעש ואחר עוצמת הנעילה.

X. חיזויים ובדיקות: כלים מעשיים לשדה קרוב ולשדה ביניים

• חותם ביטול באמצעות פיזור כיראלי. חיזוי. שימוש באלומות חישה בעלות תנע זוויתי מסלולי כדי לבדוק את השדה הקרוב של הנייטרון. סימטריות הסטת פאזה אמורות לשקף שפה שלילית וליבה חיובית ולהשלים חתימות של פרוטון ואלקטרון.
• דימות סימן רדיוס המטען. חיזוי. השוואת גורמי צורה אלסטיים ומקוטבים באזורי אנרגיה אחדים. הנייטרון אמור להראות בעקביות סימן שלילי לרדיוס הממוצע בריבוע, בעוד שבשדה הרחוק נשמרת ניטרליות.
• נדידה זעירה של מומנט מגנטי תחת מדרון בשליטה. חיזוי. במדרונות טנזור מכוילים נצפה נדידה קטנה וקווית והפיכה בתגובה המגנטית של הנייטרון. השיפוע או הסימן יבדלו באופן שיטתי מן הפרוטון.
• מלווים גאומטריים להמרת בטא. חיזוי. כאשר החיבור מחדש מופעל בדופק, גדילה של רכיבים דמויי פרוטון ונגרע של חבילות גל אלקטרוניות מופיעים יחד עם חותמות גאומטריות. מדידות חלשות מסוגלות לעקוב אחר חשבון פאזה ותנע הקשור לחבילת גל של אנטינוטרינו אלקטרוני.

XI. חוט מאחד אחד: ניטרליות איננה פיזיקה של אפס אלא מבנה של ביטול

הנייטרון הוא צרור סגור וארוג של כמה סיבים אנרגטיים. חלוקה בין חזק החוצה וחזק פנימה לטבעות משנה שונות נועלת גאומטרית ניטרליות חשמלית. הקערה הרדודה נושאת את חתימת המסה. זרימות סגורות ותבי פאזה מחברות לספין ולמומנט מגנטי שאינו אפס ובעל סימן שלילי. דעיכת בטא נקראת כאירוע של חיבור מחדש וגרעון. מן הטורואיד הרב־טבעות בשדה הקרוב, דרך הכרית הרכה בקצה בשדה הביניים ועד הקערה הרדודה הסימטרית בציר בשדה הרחוק, שלוש התמונות אורגות נייטרון אחד. לכן ניטרליות איננה היעדר דבר אלא ביטול מדויק של מרקמים הפונים החוצה והפנים באותה גאומטריה של שדה קרוב. מסה, חשמל, מגנטיות ודעיכה נקשרים למסגרת אחת קוהרנטית וברי בדיקה נקודתית מול גבולות ניסוי.

XII. הערות לדיאגרמה לטובת תמונת הדמיון של הקורא

גוף ועובי. טורואיד ראשי עם טבעות רבות המשולבות זו בזו. כמה סיבים אנרגטיים נסגרים לטבעות ונתפסים לאריג קומפקטי. כל טבעת ראשית עבה ונושאת את עצמה ואינה צרור חוטים רופפים.

זרימה אפקטיבית ושטף טורואידי. המומנט המגנטי נובע מסכום זרימות אפקטיביות ומשטף טורואידי. אין צורך בלולאת זרם נראית.

המחשה של מסדרונות שטף. לא קירות קשיחים אלא מסדרונות במתח גבוה שבהם כיוון ים האנרגיה נמתח. רצועות קשת מדגישות אזורים מתוחים יותר ונוחים למעבר. צבע ורוחב הם קודים חזותיים בלבד. הדבר תואם באופן איכותי לאגדי קווי שדה בכרומודינמיקה קוונטית. באנרגיות גבוהות ובזמנים קצרים התגובה מתכנסת לתיאור פירטונים מבלי להציג קנה מידה מבני חדש.

אירועים דמויי גלואונים. חבילות פאזה ואנרגיה מקומיות הנעות לאורך המסדרון כאירועי החלפה וחיבור מחדש ואינן כדורים יציבים. סמל בולט בצבע צהוב לאורך המסדרון משמש תזכורת חזותית בלבד.

תבי פאזה ולא מסלולים. חזית פאזה כחולה וספירלית על כל טבעת ראשית מסמנת נעילה, כיווניות ושיעור פאזה. הריצה של רצועת הפאזה היא התקדמות חזית מודוס ולא חומר או מידע מהיר מן האור.

מרקמי כיווניות בשדה הקרוב. ביטול מטען. זוג רצועות חצים כתומות. החיצונית מצביעה פנימה ומייצגת רכיב שלילי בשפה. הפנימית מצביעה החוצה ומייצגת רכיב חיובי פנימה. זוויות מצטלבות מבטאות ביטול ממוצע בזמן ולכן השדה הרחוק נוטה אל אפס. המשקול של שפה שלילית וליבה חיובית רומז גאומטרית גם לסימן השלילי של רדיוס המטען הממוצע בריבוע. הערכים נשענים על מדידות תקניות.

כרית מעבר בשדה הביניים. טבעת מקווקוות מסמנת מעבר מאנאיזוטרופיה של שדה קרוב לאיזוטרופיה ממוצעת בזמן. הניטרליות נעשית גלויה. ההמחשה אינה משנה גורמי צורה ורדיוסים מדודים.

קערה רדודה בשדה הרחוק. הצללות קונצנטריות וקווי עומק מתארות קערה רדודה סימטרית בציר. חתימת מסה יציבה וללא מוזרות דיפולית קבועה. טבעת ייחוס דקה מסייעת בקריאת סולם ורדיוס. הצללה יכולה להימשך עד שפת התמונה, אולם הקריאה נעשית על טבעת הייחוס.

נקודות עיגון לקריאת האיור. חזיתות פאזה כחולות וספירליות בכל טבעת ראשית. שלוש רצועות קשת בהירות כמסדרונות מתח גבוה. סימוני גלואון בצהוב לאורך המסדרון. זוג רצועות חצים כתומות החוצה פנימה ופנימה החוצה. שפת כרית המעבר המקווקוות. טבעת ייחוס חיצונית דקה עם הצללות קונצנטריות.

הערת שוליים ברמת כיתוב. בגבול כמעט נקודתי באנרגיות גבוהות ובזמנים קצרים גורמי צורה מתכנסים לתגובה נקודתית. האיור אינו מציג קנה מידה מבני חדש. השפה החזותית של שפה שלילית וליבה חיובית מסדרונות וחבילות נועדה לאינטואיציה ואינה משנה רדיוסים גורמי צורה או התפלגויות פירטונים. המומנט המגנטי נובע מזרימה אפקטיבית ומשטף טורואידי. כל הטיה סביבתית קטנה חייבת להיות הפיכה, ניתנת לשחזור ובר־כיול.