הפרוטון, המורכב משני קווארקים מסוג “up” וקווארק אחד מסוג “down”, נמצא במרכז המחקר הפיזיקלי מזה עשרות שנים. למרות שהמודל הסטנדרטי מתאר אותו כישות כמעט כדורית, ממצאים ניסיוניים – החל מבעיית הספין, שבה נמצא כי הספינים של הקווארקים מסבירים רק כ־30% מהספין הכולל, ועד לחידת הרדיוס, שבה נמדדו ערכים שונים באופן מפתיע – רמזו כי מבנהו מורכב בהרבה. לנוכח הפערים הללו, עולה צורך במודל חדש שיתאר את מבנהו של הפרוטון באופן מדויק יותר.
מערבולות הקווארקים והווקום העל־נוזלי
המודל החדש מבוסס על תיאור מהפכני: הקווארקים אינם חלקיקים נקודתיים, אלא מערבולות יציבות בתוך “ואקום על־נוזלי”. במרחב זה, המתקיים עוד מלפני המפץ הגדול, הקווארקים מתנהגים כוורטקסים יציבים, שסיבוביהם יוצרים את תכונותיהם הפיזיקליות – מסה, מטען וספין. הגלואונים, שבמודל הסטנדרטי נחשבים כחלקיקים מתווכים של הכוח החזק, מתוארים כאן כזרועות ספירליות של אותן מערבולות, המחברות בין הקווארקים ומוסיפות תנופה זוויתית למערכת.
צורת הפטרייה: גיאומטריה חדשה לפרוטון
בניגוד למודל הקלאסי, המודל החדש מציע לראות את הפרוטון כמבנה תלת־ממדי דמוי פטרייה. שני הקווארקים מסוג “up” סובבים סביב קווארק “down” מרכזי, ויחד יוצרים מבנה של “כיפה” אסימטרית ו”גבעול” מרכזי. צורה זו אינה רק תיאור ציורי – היא מאפשרת ליישב את הפער בין המדידות השונות של רדיוס הפרוטון, תוך הבנה שהרדיוס אינו גודל קבוע אלא תוצאה של זווית המדידה והכוחות הפועלים בזמן אמת בין הקווארקים.
פתרון חידת הספין
“משבר הספין” נולד כשנמצא שהספינים הפנימיים של הקווארקים אינם מסבירים את הספין הכולל של הפרוטון. במודל החדש, הספין אינו נובע רק מספין עצמי של הקווארקים, אלא גם מתנועתם המסלולית סביב הציר המרכזי ומהתרומה של זרועות הגלואונים. כך נוצרת תמונה שלמה: כ־30% מהספין מקורו בספיני הקווארקים, עוד כ־30%–40% בתנועה המסלולית שלהם, והיתר נובע מהתנופה הזוויתית של הגלואונים.
חידת הרדיוס
הפער בין מדידות הרדיוס באמצעות אלקטרונים לבין מדידות באמצעות מיואונים גרם לבלבול רב בקהילה המדעית. המודל החדש מציע כי אין מדובר ברדיוס “קבוע” אלא במבנה דינמי, שבו זווית הפגיעה ושיטת המדידה קובעות את הערך הנמדד. כך ניתן להסביר כיצד שתי שיטות מדידה שונות הניבו תוצאות שונות, מבלי לסתור זו את זו.
לסיכום, המודל החדש של הפרוטון מציע תפיסה אינטואיטיבית וגיאומטרית יותר: הפרוטון אינו עוד כדור סימטרי, אלא מערכת דינמית דמוית פטרייה של מערבולות קווארקים וזרועות גלואונים. גישה זו מאפשרת לא רק לפתור את חידות הספין והרדיוס, אלא גם מציעה פתח להבנת בעיית המסה העודפת של הפרוטון. אם תאושר בניסויים נוספים, תיאוריה זו עשויה לשמש גשר בין מכניקת הקוונטים לבין הבנה רחבה יותר של מבנה החומר ביקום.
