דיווח ישיר מרגע האמת של פיסיקת החלקיקים

האירוע המרכזי של כנס לינדאו לפיסיקה התקיים היום (יום שלישי) בשעה 16:00 (שעון ישראל). 5 חתני פרס נובל לפיסיקה, האחראים לניסוח חלקים שונים של המודל הסטנדרטי, התכנסו באולם צדדי. אליהם הצטרפו מספר מדענים בכירים במכון למחקר גרעיני של האיחוד האירופי (CERN), הממוקם מרחק 4 שעות נסיעה משם ליד ז'נבה. המדענים התכנסו כדי לדון בציפיותיהם ממה שכונה כבר על ידי רבים "האירוע המדעי המשמעותי ביותר בדורנו", תחילת העבודה במאיץ ההדרונים הגדול (Large Hadron Collider).

"בניית המאיץ החלה לפני 14 שנים, אבל אנחנו מחכים לו כבר 30 שנים" אמר פרופסור דייוויד גרוס. גרוס, שזכה בפרס נובל לשנת 2004 על חלקו בגילוי הכוח הגרעיני החזק, לא הסתיר את התרגשותו מהמאורע הגדול. "אפשר להרגיש את ההתרגשות לא רק אצלנו אלא גם אצל חוקרים צעירים שאני פוגש כאן בכנס. יש לנו עכשיו את המכשיר המתאים ואת השאלות הנכונות. אפשר למצוא את מה שאני קורא לו יקום-על, שלב שבו שלושת הכוחות מתאחדים. אני כבר לא יכול לחכות". 

מאיץ ההדרונים הגדול: כל המידע, כל דיווחים - פרויקט מיוחד של ynet מדע

הפרויקט המדעי הגדול והמסובך מכולם

מאיץ ההדרונים הגדול (LHC), הוא ספינת הדגל של המרכז למחקר גרעיני של האיחוד האירופי (CERN), הנמצא ליד העיר ז'נבה. בבנייתו, שנמשכה כ-14 שנים, הושקעו כ-5.8 מיליארד דולרים. מדובר במנהרה טבעתית שהיקפה 27 קילומטרים, בעומק 100 מטרים מתחת לאדמה, השוכנת על הגבול בין שוויץ לצרפת. בתוך המנהרה, מאיצים טכנאים אלומות של פרוטונים במהירות השווה ל-99.9% ממהירות האור. באמצעות כ-7,000 אלקטרומגנטים, אותם מקררים באמצעות הליום נוזלי לטמפרטורה של 271- מעלות צלסיוס על מנת להפוך את כבלי החשמל שלהם למוליכי-על, מנתבים מפעילי המאיץ את אלומות הפרוטונים הנעות בתוך המנהרה. בתחילה, יאיצו ב-LHC אלומה אחת של פרוטונים, אחר כך שתיים שינועו בכיוונים מונגדים, לבסוף יאיצו יותר מ-2,500 אלומות. האלומות ינותבו בזהירות מופלגת, כך שיופגשו "ראש בראש" ויגרמו להתנגשויות בין החלקיקים. 

"מדובר בפרוייקט המדעי הגדול והמסובך ביותר בתולדות האנושות" אמר לין אוונס, מנהל הפרוייקט. "כרגע אנחנו עובדים על קירור המגנטים שבמאיץ לטמפרטורה הנחוצה, שהיא טמפרטורה נמוכה מזו השוררת בחלל החיצון. עד ה-14 ביולי אנחנו מצפים לסיים את תהליך הקירור. באמצע אוגוסט נתחיל להאיץ צרור ראשון ועד סוף השנה האזרחית אנחנו צופים שיהיו כבר תוצאות לדבר עליהן".

דגם של מאיץ החלקיקים הגדול, המוצג באולם המבקרים של המרכז למחקר גרעיני של האיחוד האירופי (צילום: אימג'בנק / GettyImages).

ההתנגשויות רבות העוצמה יחקו תהליכים שהתרחשו ביקום זמן קצר מאוד לאחר המפץ הגדול, בעת שעוצמת ההתנגשויות בין חלקיקים הייתה אדירה ובטרם נוצר החומר ממנו עשוי העולם שאנו מכירים. 4 גלאי ענק יאספו נתונים מההתנגשויות. אחד מהם, שנבנה על ידי מדעני מכון ויצמן, יעסוק במיון כמויות המידע העצומות שיצטברו ויבטיח שרק המידע החדש והאיכותי ישמר וינותח. הנתונים שיאספו יאפשרו לפיסיקאים, שהקדישו את כל חייהם לפיתוח תיאוריה המנסה לשער מה קורה כשחלקיקים מתנגשים במהירות כזו, יוכלו סוף סוף לראות התרחשות שכזו הלכה למעשה. תקוותם היא שהתוצאות יספקו אישור ניסויי למה שמכונה ה"מודל הסטנדרטי" או "הדגם התקני" (Standard Model). 

מחפשים את בוזון היגס

המודל הסטנדרטי בפיסיקה הוא ההסבר המקובל היום למקור החומר בעולם. הוא נבנה צעד אחר צעד לאורך שנות ה-70 וה-80, בסדרה של תגליות מסעירות וניסוח תיאוריות מסובכות. החומר, כידוע, מורכב מאטומים שגרעיניהם מכילים חלקיקים הנקראים הדרונים (פרוטונים וניוטרונים), אותם מקיפים אלקטרונים. המודל הסטנדרטי כולל שתי קבוצות חלקיקים עיקריות, שמהן בנויים האטומים: קוורקים, מהם עשויים הפרוטונים והניוטרונים, ולפטונים, ביניהם האלקטרונים. עוד קבוצה של חלקיקים, בוזונים, משמשת לנשיאת הכוחות הפועלים על אותם חלקיקים. המודל הסטנדרטי כולל שלושה כוחות יסוד: הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרו-מגנטי (מלבדם, ידוע רק כוח יסוד נוסף אחד, כוח הכבידה, אותו מסבירה תורת היחסות שאינה נכללת במודל הסטנדרטי).

הכוח האלקטרומגנטי אוסר על חלקיקים בעלי מטען חשלמלי שווה-סימן להיצמד זה לזה, ומושך חלקיקים בעלי מטען שונה-סימן זה אל זה. הכוח הגרעיני החזק גובר עליו, ומלכד את הפרוטונים והניוטרונים בגרעין האטום. הכוח החלש אחראי להתפרקויות רדיואקטיביות מסוימות בגרעין האטום. בשנות ה-70 ניסחו המדענים שלדון גלשו, סטיבן ויינברג ועבדוס סלאם תיאוריה שאיחדה את הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש לכוח אחד, הכוח האלקטרוחלש. אולם תקוותיהם של מדענים ליצור מסגרת תיאורתית משותפת לכוח האלקטרוחלש ולכוח החזק, כלומר לנסח תיאוריה החובקת את כל המודל הסטנדרטי, עלו בתוהו עד כה. LHC, הם מקווים, יסייע להם להתקדם לקראת מטרה זו. 

ישנן כמה בעיות במודל הסטנדרטי, אותן מקווים המדענים להבהיר באמצעות הניסויים ב-LHC. כך למשל, מניסויים שנעשו בעבר ידוע שלקווארקים ולבוזונים מסוג W ו-Z, המעורבים בפעולת הכוח החלש, יש מסה. עם זאת, הנוסחאות המתימטיות המסבירות את פעולת הכוח החלש אינן יכולות להיות סימטריות אלא כאשר חלקיקים אלה נטולי מסה. כדי להתגבר על הבעייה הזו, השתמשו מנסחי תיאוריית הכוח החלש בעבודתו של הפיסיקאי פיטר היגס, ששיער בשנות ה-60 את קיומו של בוזון נוסף, המעניק לחלקיקים אלה את המסה שלהם.

"בוזון היגס" נחשב לחלקיק מיתי. העובדה כי החלקיק מעולם לא נראה בניסוי, לצד העובדה שהוא מעניק לחומר את המהות שלו, המסה, גרמו לרבים לכנותו "חלקיק אלוהים". בכל התייחסות פומבית לעבודתו של ה-LHC מדברים על כך שהוא המכשיר שימצא סוף סוף את הבוזון המסתורי. פיסיקאים רבים מייחלים לכך שהניסויים יסבירו כיצד מעניק בוזון היגס מסה לבוזונים W ו-Z, והאם הוא מעניק מסה גם לחלקיקים אחרים.

למה מצפים המדענים?

"מהבחינה התיאורטית אנחנו מוכנים למכשיר כמו ה-LHC, אנחנו רוצים כבר למצוא את בוזון היגס וכולנו מאמינים שהוא קיים" אמר ג'רארד הופט (Gerardus Hooft), שזכה בפרס נובל לשנת 1999 על חלקו בהבנת המבנה הקוונטי של הכוח החלש. הופט הוסיף כי הוא מאמין שיתגלה לנו שבוזון היגס בעצמו מורכב מחלקיקים קטנים יותר וכי חלקיקים אלה יתגלו בעבודת המאיץ. "אך יותר מכל", אמר, "אנחנו מחפשים קצה חוט שיסביר לנו לאן אפשר להמשיך מהמודל הסטנדרטי".

נועז יותר היה ג'ורג' סמות (George Smoot), חתן הפרס לשנת 2006. סמות, שלקח חלק בגילוי החומר האפל, דיבר על תוצאות שיהפכו את בוזון היגס לחדשות של אתמול. "מה שאני באמת רוצה לראות זה את החלקיקים מהם מורכב חומר אפל ומימד נוסף לשלושת המימדים המוכרים לנו. זה מה שאני וחוקרים ברחבי העולם מצפים לו יותר מכל". גרוס צינן את התלהבותו של סמות, "אני שמרן מטבעי, אני לא חושב שנמצא חומר אפל ומימד נוסף, אבל אני מאמין שבוזון היגס קיים ושאנחנו גם יודעים מה המסה שלו. אלו התיאוריות שאני מצפה שיתאמתו".

מרטינוס ולטמן (Martinus Veltman), שותפו של הופט לזכייה בפרס, התיישב על משבצת האיפכא מסתברא. "הרבה מהדברים שאנשים מצפים לראות ב-LHC הם דברים שתוארו עד עכשיו על ידי תיאוריות המבוססות בחלקן על אמונה ולא יותר מזה. אני מוטרד מכך שלא נמצא את בוזון ההיגס ומוטרד עוד יותר מכך שנגלה אותו וכלום חוץ ממנו. אם יתגלה ההיגס וההיגס בלבד, זה הסוף של פיסיקת החלקיקים כי לא יהיה לאן להמשיך משם. נוכל לומר שאנחנו יודעים הכל על האופן בו החומר מתהווה".

קרלו רובייה (Carlo Rubbia), שזכה בפרס לשנת 1984 על חלקו בגילוי הבוזונים W ו-Z, השיב לולטמן בשאלה פרובוקטיבית. "אם לא ימצאו את ההיגס מרטינוס, תהיה מוכן להחזיר את הכסף שקיבלת מקרן נובל?". "בלתי אפשרי" ענה ולטמן, "כבר ביזבזתי את כולו".

סיכוי קטן ביותר אינו סיכוי כלל

מול עינינו המשתאות הציג הוגו סמית', טכנאי ב-LHC, את עבודתו של המאיץ. טכנאי המאיץ מפעילים עתה חלקים שונים שלו על מנת לבדוק את תקינותם. זכינו לחזות בשנים מתוך שמונה המקטעים של המנהרה, עת המטען החשמלי שלהם הלך ועלה בהדרגה. בשלב זה, לא מביאים את האלקטרומגנטים לרמת תפקוד מלאה, על מנת שלא להעמיס על המערכת.

כל המשתתפים בדיון קבלו על היעדר הידע בקרב הציבור הרחב, בנוגע לעבודתם. היעדר הידע מתבטא, מצד אחד, בצפיות מוגזמות. "מדובר בתהליך מסובך" אמר רובייה בהתייחס לשאלות אודות המועד בו ניתן לצפות לתוצאות. "לקח הרבה זמן לבנות את המכשיר הזה ותהליך העבודה בו לא יהיה חלק. אנשים צריכים להבין שאם יש תקלה או עיכוב, לא מדובר בכישלון, זה פשוט האופן שבו דברים עובדים בחיים". "תפסיקו ללחוץ עלינו עם תאריכים" ביקש הפיסיקאי הנודע."הקהילה המדעית זקוקה לאורך נשימה כדי לגרום למכשיר הזה לפעול בצורה יעילה".

מהצד השני, מתבטא היעדר הידע בנוגע למאיץ בבהלה מיותרת מתוצאות הניסוי. שני אזרחי ארה"ב אף הגישו תביעה לבית הדין הבין לאומי, בטענה שהניסוי עלול ליצור חור שחור שיבלע את כדור הארץ. "זו טענה אבסורדית ומטופשת" אמר גרוס. "חורים שחורים, אם ייווצרו, יתפוגגו מיד ולא יבלעו שום דבר. למרות האבסורדיות של הטענות, CERN הקים ועדת חקירה שבדקה את הנושא וחזרה שוב על הטענה כי הסיכוי שחור שחור יבלע את כדור הארץ כתוצאה מפעולת המאיץ הוא קטן ביותר. הצרה היא שאנשים לא מבינים למה מדען מתכוון כשהוא אומר 'קטן ביותר'. כוונתנו היא שבעצם אין סיכוי שזה יקרה אבל מכיוון שמבחינה מדעית לא נכון לומר 'אין סיכוי', אז אנחנו אומרים שהסיכוי קטן ביותר".

"המאיץ נבנה על מנת למצוא את הבלתי צפוי"

האם יבשר מאיץ החלקיקים על עידן חדש בפיסיקה או שמא יבשר על קיצה של פיסיקת החלקיקים? מסתבר שרוב הפיסיקאים מאמינים שלצד הוכחת קיומו של בוזון היגס, יציג המאיץ תופעות חדשות, שההסבר להתרחשותן נמצא מחוץ לתחומי המודל הסטנדרטי. המדען הראשי ב-CERN, יוס אנגלן (Jos Engelen), סיכם את הדברים באמירה הבלתי מחייבת הבאה: "המאיץ נבנה על מנת למצוא את הבלתי צפוי. טבעו של הבלתי צפוי הוא שהוא בלתי צפוי". כלומר, נחיה ונראה.

התהליך בו מגיע המין האנושי להבנה עמוקה יותר ובהירה יותר של עולם החומר, מתנהל בשני מישורים. המישור התיאורטי והמישור הניסויי. במישור התיאורטי משאבנו העיקרי הוא הדמיון האנושי ויכולות החשיבה של יחידי סגולה, המסוגלים לשער דברים שעין אנוש טרם ראתה ולתת להם ביטוי בדמות נוסחה מתימטית. הם אלה המכוונים את הטכנולוגיה, המשאב העיקרי במישור הניסויי, מה עליה לחפש, היכן וכיצד.

הצורך אינו תמיד אבי ההמצאה ועברו שנים רבות מאז הועלו במישור התיאורטי השאלות היסודיות עליהן מבקשים לתת תשובה באמצעות המאיץ החדש, ועד שהיכולת (ולא פחות חשוב, הממון) לבנייתו הפכו זמינים. עתה, הדביקה סוף סוף הטכנולוגיה את הפער ואנו צועדים במישור אחד, ניסויי ותיאורטי, אשר יוביל אותנו למחוזות חדשים ונפלאים של ידע.

מצב זה לא ימשך כנראה לאורך זמן. רוב המדענים סוברים שהמהירות בה יתנגשו חלקיקים אלו באלו, במנהרה הארוכה שב-CERN, תגרום ודאי לכך שיראו בעין דברים שהמוח, או יותר נכון הנוסחה המתימטית, לא יכולים להסביר. מספר כפפות יוטלו אל הזירה והשאלה היא רק מי ירים אותן. מי ינסח תיאוריה חדשה ונועזת, שתסביר את מה שנראה במאיץ הגדול? האם יהיה זה אחד המדענים הבכירים שדיברו בכנס בלינדאו, או שמא אחד המדענים הצעירים שישבו והקשיבו להרצאותיהם?

ואולי, המוח המבריק, שמכין לנו את פריצת הדרך הבאה בפיסיקת החלקיקים, לא נכח כלל בכנס זה. אולי הוא ממתין לו אי שם, נסתר מן העין, צנוע, לא מודע עדיין לערכו האמיתי. כמו אותו צעיר יהודי שנולד לפני כמעט 130 שנים בעיר אולם (Ulm), השוכנת מרחק שעתיים נסיעה מלינדאו. האיש שכתב את אותה נוסחה קצרה שעל פיה ישק דבר בפיסיקת החלקיקים.