איך נולד היקום? התמונה מתבהרת

• לחלק הקודם של הכתבה - לחצו כאן
  

חישוב התגובות החזקות המתרחשות בנוזל של קוורקים וגלואונים, שנדחסים לצפיפות בלתי נתפסת כמעט, ומתפוצצים החוצה במהירויות הקרובות למהירות האור, הוא אתגר לא פשוט. גישה אחת לבעייה היא "ללכת עם הראש בקיר" ולחשב את הפתרונות של הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD) תוך שימוש במערכים אדירים של מעבדים ייעודיים למשימה זו. בגישה זו, הקרויה גישת "שריג QCD" המרחב מקורב על ידי שריג של נקודות בדידות. סדרה של קירובים חוזרים ונשנים על השריג, מביאים את המדענים קרוב יותר ויותר אל הפתרונות המדויקים של משוואות QCD.

בעזרת טכניקה זו, תיאורטיקנים הצליחו לחשב גדלים כמו הלחץ וצפיפות האנרגיה כפונקציה של הטמפרטורה. מתברר ששניהם גדלים באופן דרמתי כשההדרונים הופכים לתווך קוורק-גלואון. אולם החיסרון הבולט של השיטה הוא, שהיא מתאימה למצבים סטטיים, כשהתווך מצוי בשיווי משקל תרמודינמי, ולא לתנאים המשתנים במהירות ב"מיני-מפצים" הנוצרים ב-RHIC.

אפילו החישובים המתוחכמים ביותר בשיטת שריג ה-QCD לא הצליחו לקבוע תכונות דינמיות כמו את מעיכת הסילון או את הצמיגות. אמנם צמיגותה של מערכת חלקיקים באינטרקציה חזקה צפויה להיות נמוכה, אך היא אינה יכולה להיות בדיוק אפס, משיקולים של תורת הקוונטים. השאלה: "כמה קטנה יכולה להיות הצמיגות?" התבררה כשאלה קשה במיוחד.

הישועה הגיעה מכיוון לגמרי בלתי צפוי: תורת המיתרים של הכבידה הקוונטית. השערה מסעירה של התיאורטיקן חואן מלדסנה מן המכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון שבניו ג'רזי, קשרה באופן מפתיע בין תורה של מיתרים במרחב חמישה-ממדי, לבין תורה דמוית QCD של חלקיקים המצויים בארבעה ממדים, אותם ארבעה ממדים המשמשים מעטפת למרחב החמישה-ממדי. שתי התיאוריות שקולות מבחינה מתמטית, אף על פי שלכאורה הן מתארות שני תחומים שונים מאוד בפיזיקה.

כשהכוחות ב-QCD נעשים חזקים, האינטרקציות בתורת המיתרים המתאימה לה נעשות חלשות דווקא, ולכן קלות יותר לחישוב. לתכונות כמו צמיגות, שקשות מאוד לחישוב ב-QCD, יש מקבילות בתורת המיתרים שקל להעריך הרבה יותר (במקרה זה המקבילה לצמיגות בתורת המיתרים היא בליעה של גלי כבידה על ידי חור שחור). בעזרת גישה זו אפשר למצוא את החסם התחתון (הערך הקטן ביותר האפשרי) של הצמיגות הסגולית שגודלו כעשירית מצמיגותו של הליום נוזלי. ייתכן מאוד שתורת המיתרים תצליח לסייע לנו להבין את התנהגותם של קוורקים וגלואונים במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול.

האתגרים לעתיד

באופן מפתיע, התברר שהחומר החם והצמיג כל כך שנתקלנו בו, הוא הקרוב ביותר מכל הנוזלים המוכרים לשלמות. האתגר הניסיוני החדש העומד לפני הפיזיקאים ב-RHIC הוא להבין כיצד ומדוע מתרחשת תופעה זו. עושר הנתונים הזורמים מן הניסוי כבר מאלץ את התיאורטיקנים לבחון מחדש כמה רעיונות מקובלים באשר לחומר ביקום הקדום.

בעבר, רוב החישובים התייחסו אל הקוורקים והגלואונים החופשיים כאל גז אידאלי ולא כאל נוזל. תאוריית ה-QCD והחופש האסימפטוטי אינם בסכנה - שום תוצאה נסיונית אינה עומדת בסתירה למשוואות הבסיסיות. מה שנתון לוויכוח הוא הטכניקות וההנחות המפשטות, שבהן השתמשו התיאורטיקנים כדי להסיק מסקנות מאותן משוואות.

כדי לעמוד על שאלות אלו, מנסים כעת החוקרים ללמוד יותר על סוגים שונים של קוורקים הנפלטים בתהליכי הפיזור, ובייחוד על הקוורקים הכבדים. כשחזו לראשונה את קיומם של הקוורקים, בשנת 1964, חשבו שהם יופיעו בשלוש גרסאות: מעלה (up), מטה (down) ומוזר (strange). שלושת הסוגים האלה, שמסת כל אחד מהם קטנה מ-GeV 0.15, נוצרים ונהרסים, יחד עם בני זוגם האנטי-קוורקים, במספרים שווים בהתנגשויות ב-RHIC.

שני קוורקים נוספים - קסם (charm) ותחתית (bottom), התגלו בשנות ה-70. המסות שלהם גדולות הרבה יותר: כ-GeV 1.6 ו-GeV 5 בהתאמה. בשל המסות הגדולות, דרושה אנרגיה רבה יותר כדי ליצור אותם (בהתאם לשקילות בין מסה לאנרגיה: E=mc2), והם נוצרים רק בשלבים המוקדמים של המיני-מפצים (כשצפיפויות האנרגיה גבוהות יותר) ובתדירות קטנה יותר. נדירותם הופכת אותם למקור מידע חשוב לגבי תבניות הזרימה ולגבי תכונות נוספות המאפיינות את השלבים המוקדמים של אותו מיני-מפץ.

ניסויי פניקס וסטאר מתאימים לבחינה מדוקדקת כזו, מאחר שהם מסוגלים לגלות אלקטרונים וחלקיקים אחרים הקרויים מיואונים בעלי אנרגיות גבוהות, שלרוב נוצרים בתהליכי דעיכה של הקוורקים הכבדים. הפיזיקאים משחזרים אחורה את תנועתם של חלקיקים אלו, ושל תוצרי דעיכה אחרים, אל נקודת המקור. כך הם משיגים מידע חיוני על הקוורקים הכבדים שיצרו אותם. ייתכן שלקוורקים הכבדים יש תבניות זרימה והתנהגויות שונות מאלו של קרוביהם הקלים והנפוצים יותר. מדידה של אותם הבדלים יכולה לסייע לנו לבחון את ערכי הצמיגות הזעירה שנחזו.

חלקיקים "מתמוססים" בנוזל

לקוורקים מסוג קסם יש תכונה נוספת שמסייעת בבחינת התווך קוורק-גלואון. בדרך כלל כאחוז אחד מהם נוצרים בצימוד עם אנטי קוורק קסם, ויוצרים חלקיק ניטרלי הקרוי J/psi. המרחק בין בני הזוג הוא רק כשליש מרדיוס הפרוטון, ולכן קצב היצירה של J/psi צריך להיות מושפע מן הכוח שבין שני קוורקים במרחקים קצרים. התיאורטיקנים מצפים שכוח זה ידעך, בשל המיסוך שיוצר ים הקוורקים הקלים והגלואונים שמסביב, דבר שיוביל להאטת קצב הייצור של J/psi.

תוצאות שהתקבלו לאחרונה בפניקס אכן מראות, שחלקיקי J/psi "מתמוססים" בנוזל, בדומה לתצפיות מוקדמות יותר ב-CERN, המעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים שעל יד ז'נבה. למעשה, מדענים ציפו להאטה גדולה יותר בקצב ייצור ה-J/psi ב-RHIC, בשל הצפיפויות הגבוהות. אך תוצאות ראשוניות מעידות על קיומו של מנגנון מתחרה, כמו יצירה מחדש של חלקיקי J/psi בצפיפויות כאלה. מדידות נוספות יתמקדו בתעלומה זו על ידי חיפוש של זוגות נוספים של קוורקים כבדים ומדידה של ההאטה בקצב הייצור שלהם.

ויש עוד גישה לשאלה: לנסות לראות את נוזל הקוורקים והגלואונים בעזרת האור שלו עצמו. מרק חם של חלקיקים כאלה אמור לזרוח לזמן קצר, בדומה למכת ברק, מאחר שהוא פולט פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות, שיוצאים מן התווך. כשם שהאסטרונומים מעריכים את הטמפרטורה של כוכב מרוחק מתוך ספקטרום פליטת האור שלו, כך גם הפיזיקאים מנסים להשתמש בפוטונים האנרגטיים כדי להעריך את הטמפרטורה של הנוזל קוורק-גלואון.

הבעיה היא, שמדידת הספקטרום הזה קשה במיוחד, מכיוון שפוטונים רבים אחרים נוצרים ונפלטים גם הם בתהליכי דעיכה של הדרונים מסוג פָּיונים ניטרליים. למרות שהפוטונים האלה נוצרים הרבה אחרי שהנוזל קוורק-גלואון נעלם והפך להדרונים, הם נראים זהים בהגיעם לגלאים.

פיזיקאים רבים מתכוננים עכשיו לחזית הבאה באנרגיית החלקיקים - זו של מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) ב-CERN. במאיץ שאמור להתחיל לפעול בשנת 2008, יתחוללו התנגשויות בין זוגות של גרעיני עופרת שהאנרגיה המשותפת שלהם תהיה יותר ממיליון GeV. צוות בין-לאומי של יותר מ-1,000 פיזיקאים עוסק בבניית הגלאי האדיר "אליס", שישלב את היכולות של הגלאים פניקס וסטאר בניסוי אחד. המיני-מפצים שייווצרו ב-LHC, יגיעו לשבריר של שנייה לצפיפויות אנרגיה הגדולות פי כמה מאלו שב-RHIC, והטמפרטורות בהם יעלו בנקל מעל 10 טריליון מעלות. הפיזיקאים יוכלו אפוא לדמות ולחקור את התנאים ששררו במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול.

השאלה המתבקשת היא: "האם ההתנהגות דמוית הנוזל שנצפתה ב-RHIC תוסיף להופיע גם בטמפרטורות ובצפיפויות האנרגיה הגבוהות יותר ב-LHC?" כמה תיאורטיקנים סבורים שהכוח שבין הקוורקים ייחלש כשהאנרגיה תעלה על GeV 1, כפי שיתאפשר ב-LHC, ושפלזמת הקוורק-גלואון תתחיל סוף כל סוף להתנהג כיאות - כמו גז, בהתאמה לציפיות המוקדמות. תיאורטיקנים אחרים אופטימיים פחות. הם סוברים שכוח ה-QCD אינו יכול לקטון מהר כל כך באנרגיות שבהן מדובר, ולפיכך הקוורקים והגלואונים יישארו מצומדים בצורת הנוזל. בסוגיה זו, אנו נאלצים לחכות לפסק הדין של הניסוי, שעשוי לטמון בחובו הפתעות נוספות.