רשימות על מדע ופיוטים קצרים | דודי גולדמן

חומר למחשבה

atomאחרי שחשף את "החלקיק האלוהי" לפני שלוש שנים, מאיץ החלקיקים הגדול בעולם שפועל מתחת לאדמת שווייץ חזר לעבודה. הפעם מקווים המדענים לפצח באמצעותו את התעלומה הגדולה מכולן ולגלות מהו החומר שממנו מורכב למעשה היקום. דודי גולדמן שוחח עם המדענים הישראלים המעורבים בפרויקט ושמע מהם למה ייתכן שהמדע כולו עומד על סף מהפכה

הפעם – כך מקווים בכירי הפיזיקאים – תפוצח התעלומה ותינתן סוף־סוף התשובה לשאלה הגדולה מכולן: מהו למעשה "החומר האפל" המסתורי והחמקמק שהמדענים יודעים עליו כל כך מעט, אבל ממנו מורכב למעשה רוב היקום.

ויש לתקוותיהם על מה להתבסס: מיזם המדע הגדול בעולם – מאיץ החלקיקים שמפעילה המועצה האירופית למחקר גרעיני (סרן), סמוך לז'נווה, על גבול צרפת־שווייץ, חזר לפעול באפריל – אחרי שיפוץ מאסיבי שהקנה לו יכולות משופרות. בפעם האחרונה שבה הופעל, ביולי 2012, נרשמה הצלחה מסחררת בעקבות גילוי "החלקיק האלוהי", שפיזיקאים תיאורטיים רק שיערו את קיומו במשך 40 שנה.

ולמה המשימה הפעם כל כך חשובה? מפני שכל מה שהפיזיקה יודעת נכון ורלוונטי רק למיעוטו של החומר הקיים ביקום. אבל היכן מסתתר רוב החומר, שפרץ באבחה ספקטקולרית ב"מפץ הגדול" – אותו אירוע יחידני שהתרחש לפי התיאוריה המקובלת לפני כ־13.8 מיליארד שנים? זו השאלה שהפעם מקווים למצוא לה מענה. תשובה עליה, לכאן או לכאן, תשנה לחלוטין את פני הפיזיקה המודרנית – ומן הסתם תזכה גם כמה פיזיקאים בפרסי נובל נחשקים.

"אנחנו עולים עכשיו על הספינה ולראשונה זה עשרות שנים אנחנו מלאי תקוות ועמוסי פנטזיות. אבל למען האמת אנחנו לא יודעים מה נפגוש בדרכנו", אומר הפיזיקאי פרופ' אליעזר רבינוביץ מהאוניברסיטה העברית, המשמש גם יו"ר הוועדה הלאומית לאנרגיות גבוהות באקדמיה הלאומית למדעים.
הפיזיקאי פרופ' ירון עוז, דיקן הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל־אביב, מסביר מה עשוי להתגלות בניסויים הבאים של המאיץ: "תמונת המצב של הפיזיקה המודרנית מבוססת על ארבעה כוחות יסוד: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש וכוח הכבידה. אנחנו מכירים גם חלק גדול מהחלקיקים המתווכים אותם".

לדברי פרופ' עוז, שלושה מבין ארבעת הכוחות המוכרים בטבע מובנים לפיזיקאים גם במרחקים זעירים (קוונטיים). אבל הכוח הרביעי, הכבידה, מתואר יפה על ידי המשוואות של אלברט איינשטיין במרחקים ארוכים (בחלל), אבל לא במרחקים זעירים. בפיזיקה אין עדיין תוכנית אב אחת המאחדת באלגנטיות את ארבעת כוחות הטבע ומסבירה את הקשר בין שלושת הכוחות ובין כוח הכבידה, שהוא ה"ותיק" ביותר וידוע לאנושות מאז ניוטון.

תיאוריית הגג המקובלת זה שנים בפיזיקה נקראת "המודל הסטנדרטי". אבל פיזיקאים נסיינים, העוסקים במדידות ובתצפיות באמצעות טלסקופים או מאיצי חלקיקים, מנסים למצוא את "החוליות החסרות", שהגו וניבאו הפיזיקאים התיאורטיים. "הפיזיקאים מקווים שאולי יתגלו במאיץ כוחות חדשים, מעבר לארבעה שאנחנו מכירים, ויימצאו תכונות של כוח הכבידה ואולי ממדים נוספים. ייתכן גם שיתגלו חורים שחורים קוונטיים. אנחנו יוצאים למסע שבו דברים רבים עשויים להתגלות ולהרחיב את ידיעותינו על היקום", מסביר פרופ' עוז.

והחומר האפל באמת עשוי להתגלות?

"אם יתברר שהוא חלקיק בתיאוריה, זו אפשרות. אז אולי נוכל גם להבין את האינטראקציה שלו עם חלקיקים אחרים ולייצר חומר אפל במאיץ. המאיץ יכול אולי גם לפתור חידה שמטרידה פיזיקאים רבים – מדוע ביקום הנראה יש הרבה חומר ולא אנטי־חומר".

הפיזיקאי פרופ' גיורא מיקנברג ממכון ויצמן, העומד בראש הקבוצה הישראלית במאיץ החלקיקים, הוא גם המדען שעמד בראש קבוצת הפיתוח של gioraaאחד הגלאים במאיץ, "אטלס", שפותח בחלקו הגדול בישראל. בשיחת טלפון המתקיימת איתו, כשהוא בעומק 100 מטר מתחת לפני הקרקע בשווייץ, הוא מסביר: "עד עכשיו הרצנו את המכונה בכמעט מחצית האנרגיה, אבל עכשיו פתחנו חלון חדש ובכמעט מלוא הקיטור אל הבלתי ידוע. זה בין היתר אומר שאולי הפעם נוכל להבין מהו החומר האפל הזה".

בהנחה שתצליחו, מה זה בעצם ייתן לכם?

"כנראה נוכל להבין הרבה יותר טוב מה קרה בבריאת העולם, כלומר ב'מפץ הגדול'. פיזיקה זה מדע של מדידות. בזכות המדידות בעבר קיבלנו יותר ידע, ועכשיו נפתח דף חדש עם מדידות שייעשו בהרבה יותר אנרגיה ועם הרבה יותר התנגשויות. יש כבר תוכנית עבודה ל־20 השנים הבאות ואני מקווה ומניח שהידע שלנו על היקום יגדל בכיוונים שאנחנו צופים אותם ואולי גם בכיוונים שאנחנו לא צופים כלל".

תקלת לואו־טק

מאיץ החלקיקים חזר לעבודה אחרי שנתיים של שדרוגים, תיקונים ובדיקות. אבל עוד לפני שחזר למסלול במלוא עוצמתו אירעה – כמה מביך – תקלה שהשביתה אותו לכמה שבועות. דווקא במיזם המדע הגדול והיקר בעולם, עם טכנולוגיה דמיונית בעלות של מיליארדי פרנקים שווייצריים – התקלה שהשביתה את הפעולה של המכונה המופלאה הזו לא התרחשה בקצה העליון של הטכנולוגיה, אלא הייתה דווקא תקלת "לואו־טק" – סתם קצר חשמלי באחד הרכיבים הבסיסיים.

אבל בניגוד למערכת החשמל בבית, שבה מתקנים את הקצר בתוך כמה דקות, כאן תיקון התקלות נמשך זמן רב, שכן המגנטים הכבירים, שהם ה"מנוע" של מאיץ החלקיקים, פועלים בטמפרטורה הקרובה לזו שהפיזיקאים מכנים "האפס המוחלט" 273– מעלות, כלומר 273 מעלות מתחת לאפס (הטמפרטורות בחלל הריק נמוכות מאוד).

ולכן כאשר מתרחשת תקלה במאיץ החלקיקים, צריך להפסיק את פעילותו. ואז יש צורך לחמם בזהירות רבה את המגנטים לטמפרטורת החדר, תהליך הנמשך זמן רב. רק אז אפשר לחקור את התקלה ולתקן אותה. אחרי כל זה צריך לקרר שוב את המגנטים עד קרוב מאוד לאפס המוחלט, ורק אז ניתן להריץ ולהחזיר את המנוע הכביר לעבודה.

התקלה האחרונה, שעיכבה את הפעלת המאיץ בשבועיים, לא הייתה היחידה. במקור נבנה המאיץ כדי לעבוד על אנרגיות גבוהות מאוד, שנקראות בפי הפיזיקאים 14 יחידות טרה אלקטרון וולט (TeV). זוהי אנרגיה גבוהה מאוד ששום מעבדת מחקר או מאיץ לא השתמשו בה מעולם (ר' מסגרת).

המאיץ היה אמור להתחיל לפעול בשנת 2000, אבל לדברי פרופ' רבינוביץ, כדי להגיע לאנרגיות האלה היה צורך בטכנולוגיה חדשה ובמגנטים, שהם "סופר־מוליכים", כלומר מוליכים כמעט בלי התנגדות ולכן אינם מייצרים חום, כך שאין בזבוז אנרגיה בזמן ההאצה.

"כדי שחומר יהיה 'סופר־מוליך', צריך לקרר אותו לטמפרטורה הדומה לזו השוררת בחלל, שהיא בסביבות שתי מעלות מעל האפס המוחלט (כלומר, מינוס 271 מעלות). זה היה אתגר כביר של התעשייה ושל האקדמיה לבנות מגנטים כאלה. בגלל האתגר המדעי־טכנולוגי־הנדסי הכביר הזה חלו עיכובים, ורק בשנת 2008 החל לפעול מאיץ הפרוטונים, אבל בחודשים הראשונים להפעלתו התרחשה תקלה.

"בזמן ההרצה התפשטה לפתע שמועה שקרתה תאונה. זה לא היה מודל לשקיפות, שכן לקח כמה שעות עד שהתעשתו שם והודו שהייתה תאונה. למזלנו התברר שאין נפגעים בנפש, אבל היה צורך בכמה חודשים כדי לברר במדויק את היקף הנזק. בסוף התברר שהיה נזק גדול על פני שטח של כמה מאות מטרים, שכן ברגע שמפסיקים את פעולת ה'סופר־מגנטים' בבת אחת, ולא בעדינות מודרגת, הם מגיבים בשחרור של כמות אנרגיה אדירה שאצורה בהם. וזה מה שקרה, כך שלא הייתה ברירה אלא להתעשת ולנקות את האזור ואז לחקור מה קרה, והתברר כי איזה אלמנט קטן באורך של פחות מ־30 ס"מ, שתפקידו להגן מפני קצר, קרס.

"כנראה הוא לא היה עשוי טוב ובסופו של דבר נדרש פינוי של כל העובדים" אומר פרופ' רבינוביץ. "בסוף התברר כי מבין כ־1,300 מגנטים משוכללים, התקלה הייתה ברכיב קטן, שנועד להגן מפני קצר חשמלי. מנהלי סרן עמדו בפני דילמה – או ללכת לאורך כל המאיץ ולבדוק את כל עשרות אלפי הרכיבים, וזה אומר דחייה של כמה שנים, או לבצע תיקון מקומי נקודתי ואז לחזור להרצה ולעבודה. אלא שבמקרה כזה חוזרים לפעול לא במלוא הקיטור, כלומר לא במלוא האנרגיה המתוכננת שקיווינו לה. הנהלת סרן החליטה לחזור לפעילות באנרגיה נמוכה יותר, בתקווה שהיא תספיק כדי לצלוח את המשימה – לגלות את 'החלקיק האלוהי' (בוזון־היגס)".

ההימור לחזור לפעולה באנרגיה נמוכה יותר התברר כנכון. ביולי 2012 אירע נס – והחלקיק שכה חיפשו נמצא. אחרי בדיקות רבות, ב־14 במארס 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ החלקיקים, כי הם משוכנעים במידה רבה שהחלקיק שגילו הוא אכן בוזון־היגס. וב־8 באוקטובר הודיעה קרן הנובל על הענקת פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר על ניבוי קיומו של "החלקיק האלוהי".

"הדבר דומה לתרגיל מילואים בנגב, שבו אתה מקבל מידע מהמודיעין שעומדת להתרחש סופת חול ושאחד הגרגירים הזעירים בסופה הוא האויב שלך ועליך למצוא אותו. זו בערך אותה רמת סבירות למצוא את החלקיק הזה. אבל למזלנו, בזכות עבודה עיקשת של פיזיקאים, מהנדסים, אנשי מחשבים ומתמטיקאים הצלחנו לגלות את החלקיק, שמאז שנות ה־60 של המאה שעברה שלושה פיזיקאים תיאורטיים אמרו שהוא חייב להימצא", מסביר פרופ' רבינוביץ.

הגילוי הזה קיבל סמכות ותוקף בזכות המתודה המדעית, שאינה פותחת פתח ליד המקרה. ומאחר שהמאיץ הזה הוא המתקן היחיד בעולם מסוגו, וכדי שלא להיות מושפעים מדי מהתשוקה העזה לגלות, הוחלט לא להסתפק בגלאי אחד אלא לבנות שני גלאים, למרות מחירו של כל גלאי – כמיליארד דולר. השניים ניצבים באופן קוטבי זה כנגד זה, והנהלת סרן דאגה להפריד ולמדר בין שתי קבוצות המחקר של שני הגלאים.

קבוצת המחקר שעבדה על "אטלס", הגלאי שפותח בישראל על ידי צוות בראשותו של פרופ' מיקנברג, הייתה ממודרת מקבוצת המחקר שעבדה על הגלאי השני, CMS. וזה, אומר פרופ' רבינוביץ, עניין לא פשוט, שכן ידוע על לפחות 100 זוגות ידועים ורשומים שעובדים במאיץ – לעיתים הגבר עובד בגלאי א', בעוד שבת זוגו עובדת בגלאי ב', וקשה לשמור על מידור מידע באינטימיות זוגית.

הפרופסורים רבינוביץ, עוז ומיקנברג, מה עשוי להתגלות בניסוי הנוכחי שיכה אתכם בתדהמה?

ozפרופ' עוז: "בהתחלה הייתה הפיזיקה הקלאסית של ניוטון, שעמדה היטב במבחן המציאות. ואז הגיעה הפיזיקה היחסותית של איינשטיין, ששינתה את התפיסה של ניוטון. אחר כך פותחה מכניקת הקוונטים, שפיתחו פיזיקאים רבים, בהם איינשטיין, אף שאיינשטיין עצמו לא היה שלם איתה. המכניקה הקוונטית ותורת היחסות עומדות יפה במבחן הניסוי עד כה. ועכשיו באנרגיות הגבוהות של המאיץ – הכל פתוח. מעבר לזה, יש לעיתים גילויים לרגע, שנראים כמו משהו המערער מוסכמות יסוד בפיזיקה, כמו מהירות האור. ב־2011 טענו פיזיקאים באיטליה שהצליחו לגלות שחלקיק מסוים (נייטרינו) נע מהר יותר ממהירות האור, ואז נערכו בדיקות נוספות שהראו שהאיטלקים טעו. כך שאין לדעת, והכל פתוח".

פרופ' מיקנברג: "אני מניח ברמה גבוהה של ודאות שנקבל כמה וכמה שכבות של ידע. כמעט ברור שנקבל הרבה יותר מידע מדויק על חלקיקים מוכרים. מעבר לזה ייתכן שנגלה חלקיקים או כוחות חדשים או את החומר האפל ואת התפקיד שלו ביקום. אבל ייתכן גם שנגלה דברים שאנחנו בכלל לא משערים. מה שבטוח, שמיזם מדע כביר כזה, שהוא הגדול והשאפתני בעולם, מהווה מוקד עניין לאלפי פיזיקאים מעשרות אוניברסיטאות בעולם. אני מודע גם לחשיבות המאיץ כזרז לצעירים רבים לבחור בפיזיקה ובמקצועות מדעיים וגם טכנולוגיים, שהרי עצם העיסוק במדע מתקדם מבטיח לך חיים מעניינים ומבטיח לציבור הרחב ידע שעשוי לשמש אותו".

פרופ' רבינוביץ: "מה שמכה אותי בתדהמה – זה מה שאני לא יודע. מה שאני יודע לא יכה אותי בתדהמה. אני בהחלט רוצה להיות מוכה בתדהמה על ידי משהו שאני אפילו לא יכול לדמיין אותו". †

======================================================
הפיזיקאי פרופ' גיורא מיקנברג ממכון ויצמן למדע, העומד בראש הקבוצה הישראלית במאיץ החלקיקים: "עד עכשיו הרצנו את המאיץ בכמעט מחצית האנרגיה. עכשיו פתחנו חלון חדש לבלתי ידוע. זה בין היתר אומר שאולי הפעם נבין מהו החומר האפל הזה. ודרכו נבין יותר טוב מה קרה בבריאת העולם, כלומר ב'מפץ הגדול"

הפיזיקאי פרופ' ירון עוז, דיקן הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל־אביב: "אם יתברר שהחומר האפל הוא חלקיק בתיאוריה, אולי נוכל גם להבין את האינטראקציה שלו עם חלקיקים אחרים ולייצר חומר אפל במאיץ. המאיץ יכול אולי גם לפתור חידה שמטרידה פיזיקאים רבים – מדוע ביקום הנראה יש הרבה חומר ולא אנטי־חומר"

תארו לכם בריון מגודל, התופס שני חלשלושים ומטיח את ראשיהם זה בזה. זה פחות או יותר מה שעושה מאיץ החלקיקים. אלא שבמקום גולגולות של בני אדם, הוא מטיח יותר ממיליארדי מיליארדים של פרוטונים (חלקיק תת־אטומי בעל מטען חשמלי חיובי) אלה באלה, במהירות הקרובה מאוד למהירות האור (כ־300 אלף ק"מ בשנייה).

המטרה היא לנסות לשחזר את השניות הראשונות לאחר "המפץ הגדול", שלפי התיאוריה המדעית התרחש לפני כ־13.8 מיליארד שנים. מיליוני ההתנגשויות האלה בין הפרוטונים הנעשות באנרגיות גבוהות מאוד מתרחשות בארבעה גלאים גדולים הניצבים לאורך המאיץ ובהם שני צינורות המתאחדים במקום ההתנגשות בצינור אחד, המתכנס לצורת לולאה סגורה באורך 27 ק"מ, הבנויה בעומק 100 מטר מתחת לאדמה.

מה שאיפשר את גילויו של חלקיק הבוזון־היגס בשנת 2012 היה היכולת של המאיץ לייצר התנגשויות ברמת אנרגיה חסרת תקדים של שמונה טריליון אלקטרון וולט (TeV). אולם פעילותו המחודשת של המאיץ לאחר שיפוצו תאפשר ליצור התנגשויות חלקיקים בעוצמה של 13 TeV.

israel

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

מידע

ערך זה פורסם ב-יולי 31, 2015 מאת ב-המחר הנועז, חלקיקים ברוח ותויגה ב-.