יקום נולד: בליל חלקיקים עתיר אנרגיה

לחלק הראשון של המאמר - לחצו כאן .

RHIC הוא המתקן החדשני ביותר ליצירת התנגשויות בין יונים כבדים ולחקירתן. הוא ממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקני ומתופעל על ידי מעבדת ברוקהייבן. מאיצים מולקולריים שקדמו לו היו יורים אלומות של גרעינים כבדים על מטרות מתכת נייחות. RHIC, לעומת זאת, הוא מאיץ חלקיקים שמחולל התנגשות בין שתי אלומות של גרעינים כבדים. ההתנגשויות החזיתיות מייצרות אנרגיות גדולות הרבה יותר מן האנרגיות של החלקיקים עצמם באותה מהירות, מאחר שכל האנרגיה הזמינה מושקעת ביצירת האנדרלמוסיה. האפקט דומה למה שקורה כששתי מכוניות מתנגשות זו בזו התנגשות חזיתית. אנרגיית התנועה שלהן הופכת לאנרגיה התרמית האקראית של חלקים ושברים העפים לכל עבר.

בניסויים הנערכים ב-RHIC, הגרעינים נעים במהירות העולה על 99.99% ממהירות האור, ומגיעים לאנרגיות של 100 מיליארד אלקטרון-וולט (100 GeV) לכל פרוטון או נויטרון שבתוך המאיץ (אנרגיה של 1 GeV היא שוות ערך בקירוב למסה של פרוטון נייח). מהירויות ואנרגיות כאלה מושפעות מאוד מאפקטים יחסותיים. שתי שרשראות העשויות מ- 870 מגנטים מוליכי-על, שמקוררים בעזרת טונות של הליום נוזלי, מכוונות את האלומות סביב שתי טבעות משולבות שגודלן 3.8 ק"מ כל אחת. האלומות מתנגשות בארבע הנקודות שבהן הטבעות חוצות זו את זו. ארבעה גלאי חלקיקים מתוחכמים, הקרויים ברהמס, פניקס, פובוס וסטאר, מקליטים את המידע המתעד את השברים העפים לכל עבר כתוצאה מאותן התנגשויות רבות עוצמה.

כששני גרעיני זהב מתנגשים התנגשות חזיתית באנרגיה הגבוהה ביותר הניתנת להשגה ב-RHIC, הם מרכזים אנרגיה של יותר מ- GeV20,000 לתוך כדור אש מיקרוסקופי שקוטרו כטריליונית הסנטימטר. באופן ציורי אפשר לתאר את הגרעינים ואת מרכיביהם, הפרוטונים והנויטרונים, כאילו הם נמסים, ומכל האנרגיה הזמינה נוצרים עוד הרבה קוורקים, אנטי-קוורקים (חלקיקי אנטי-חומר, בני-הזוג של הקוורקים) וגלואונים. יותר מ-5,000 חלקיקים אלמנטריים משתחררים להרף עין בהתנגשות אופיינית. הלחץ שנוצר ברגע ההתנגשות הוא אדיר, גדול פי 1030 מן הלחץ האטמוספרי, והטמפרטורה בתוך כדור האש נוסקת לטריליוני מעלות.

אך לאחר כ-50 טרילוניות של טריליונית השנייה (10-23X5 שניות) כל הקוורקים, האנטי-קוורקים והגלואונים מתרכבים שוב ויוצרים הדרונים, שעפים החוצה בהתפוצצות לעבר הגלאים שמסביב. בעזרת מחשבים אדירים, נעשה נסיון להקליט מידע רב ככל האפשר על אלפי החלקיקים המגיעים לגלאים. שניים מן הניסויים - ברהמס ופובוס, הם קטנים יחסית ומתרכזים בניתוח מאפיינים ספציפיים של החלקיקים היוצאים מההתנגשות. שני הניסויים האחרים - פניקס וסטאר, בנויים סביב מתקנים ענקיים ורב-תכליתיים הממלאים שלוש קומות של אולמות בטונות של מגנטים, גלאים, בולעי קרינה ומגיני קרינה.

ארבעת ניסויי RHIC תוכננו, נבנו ותופעלו בידי צוותים בין-לאומיים נפרדים, שכל אחד מהם מנה בין 60 ל-500 מדענים ויותר. כל קבוצה נקטה אסטרטגיה שונה כדי להתמודד עם הסיבוכיות העצומה במאורעות הפיזור ב-RHIC. צוות ברהמס בחר להתמקד בשרידים של הפרוטונים והנויטרונים המקוריים, שממשיכים לנוע בקירוב בכיוון תנועתם המקורי של גרעיני הזהב. צוות פובוס, לעומת זאת, מתמקד בגילוי של חלקיקים בטווח זוויתי רחב מאוד ובוחן מתאמים ביניהם. סטאר נבנה סביב "המצלמה הדיגיטלית" הגדולה בעולם - גליל ענק של גז שמספק תמונות תלת-ממדיות של כל החלקיקים הטעונים המשתחררים במתקן גדול המקיף את ציר האלומה. פניקס מחפש את אותם חלקיקים שנוצרו מוקדם בתהליך ההתנגשות ויכולים לצאת ללא פגע מקדרת הקוורקים והגלואונים. כך הוא משמש מעין תצלום רנטגן של קרביו של כדור האש.

הפתעה מושלמת

התמונה הפיזיקלית שעולה מארבעת הניסויים היא עקבית ומפתיעה. הקוורקים והגלואונים אכן משתחררים מן ה"ריתוק" ומתנהגים באופן קולקטיבי, אף כי לשבריר של שנייה. אך מתברר שהתערובת החמה הזאת מתנהגת כמו נוזל ולא כמו הגז האידאלי שצפו התיאורטיקנים.

צפיפויות האנרגיה שהושגו בהתנגשויות החזיתיות שבין גרעיני הזהב הן אדירות - גדולות פי 100 מצפיפות הגרעינים עצמם, בעיקר בזכות אפקטים יחסותיים. מנקודת המבט של המעבדה, שני הגרעינים משוטחים על ידי אפקט יחסותי לדיסקים שטוחים ביותר של פרוטונים ונויטרונים רגע לפני ההתנגשות. לכן כל האנרגיה שלהם דחוסה בנפח קטן מאוד ברגע ההתנגשות. פיזיקאים מעריכים שצפיפות האנרגיה המתקבלת גדולה פי 15, לפחות, מזו הנחוצה כדי לשחרר את הקוורקים והגלואונים. החלקיקים מתחילים לעוף מיד כל עבר, פוגעים זה בזה שוב ושוב וכך גורמים לחלוקת אנרגיה הקרובה יותר להתפלגות תרמית.

אפשר למצוא עדות להיווצרותו של תווך כה חם ודחוס בתופעה הקרויה "מעיכת סילון". כששני פרוטונים מתנגשים באנרגיות גבוהות, כמה מן הקוורקים והגלואונים שלהם עשויים להיפגש כמעט פנים אל פנים ולהירתע לאחור, דבר שגורם להיווצרות זוג זרמים דקים (סילונים) של הדרונים, היוצאים גב אל גב מנקודת ההתנגשות לכיוונים הפוכים. אבל בגלאים פניקס וסטאר נצפה רק מחציתו של זוג כזה בהתנגשויות בין גרעיני הזהב. הסילונים היחידים מורים על כך שקוורקים וגלואונים אכן מתנגשים באנרגיות גבוהות. אך היכן הסילון השני? נראה שהקוורק או הגלואון שנרתע צלל אל תוך התווך החם והדחוס שנוצר, ושהאנרגיה הגבוהה שלו התפזרה במפגשים עם קוורקים וגלואונים אחרים בעלי אנרגיה נמוכה. הדבר דומה ליריית קליע אל תוך גוף מים. כמעט כל אנרגית הקליע נבלעת על ידי מולקולות המים האיטיות, והוא אינו מצליח לצאת מן הצד השני.

הזרימה האליפטית

רמזים להתנהגות דמוית נוזל של התווך קוורק-גלואון התקבלו כבר בשלבים מוקדמים של הניסוי ב-RHIC, כשנצפתה תופעה בשם "זרימה אליפטית". בהתנגשויות שבהן שני החלקיקים אינם פוגעים זה בזה בדיוק במרכז - כפי שקורה על פי רוב - ההדרונים תוצרי ההתנגשות מגיעים אל הגלאי בהתפלגות אליפטית. הדרונים אנרגטיים יותר נפלטים בתוך מישור ההתנגשות יותר מאשר בניצב לו. ההתנהגות האליפטית מעידה על כך שהפרשי לחץ ניכרים פעלו על התווך קוורק-גלואון, ושאותם קוורקים וגלואונים שמהם נוצר ההדרון, התנהגו באופן קולקטיבי, לפני ששבו ליצור את ההדרון. הם התנהגו כולם כנוזל ולא כגז. אילו היה זה גז, היו ההדרונים נפלטים בהתפלגות אחידה לכל הכיוונים.

ההתנהגות הנוזלית של התווך קוורק-גלואון מעידה על כך,שהאינטראקציות בינם לבין עצמם ברגעי השחרור המשכרים מיד לאחר היווצרותם היו חזקות, באופן יחסי. אף על פי שהאינטראקציות ביניהם נחלשות (בשל החופש האסימפטוטי בכרומודינמיקה הקוונטית), נראה שהשפעת ההיחלשות נבלמת בשל הגידול הדרמתי במספר החלקיקים החדשים שהשתחררו. כאילו אותם חלקיקים כבולים הצליחו סוף סוף להשתחרר מתאי כלאם, רק כדי לגלות שהם לכודים בים של אסירים נוספים המצטופפים בחצר הכלא.

המצב החדש שנוצר, שבו הצימוד כה גדול, הוא בדיוק מה שקורה בנוזל. יש כאן ניגוד עמוק לתמונה התיאורטית הנאיבית שהצטיירה תחילה של תווך דמוי גז שבו מתקיימות אינטראקציות חלשות - כמעט גז אידאלי. המאפיינים המדויקים של אותה א-סימטריה אליפטית מעידים על כך שנוזל זה הוא כמעט חסר צמיגות. זהו כנראה הנוזל המושלם ביותר שנצפה אי פעם.