לפי המודל הסטנדרטי של החלקיקים, לכל חלקיק ביקום יש חלקיק תאום בעל מטען חשמלי הפוך שקרוי “אנטי-חלקיק” או “אנטי-חומר” באופן כללי. אף שאיננו נתקלים באנטי-חומר באופן יומיומי, הוא לוקח חלק בתופעות פיזיקליות רבות, כגון התפרקויות רדיואקטיביות ותהליכים עתירי אנרגיה במיוחד.
במחקר חדש שנעשה במאיץ החלקיקים הגדול (LHC) של CERN ליד ז’נבה, זיהו החוקרים מאפיינים חדשים בהתנהגותו של אנטי-חומר, הקשורים לשאלה יסודית הנוגעת לו: מדוע היקום מורכב בעיקר מחומר ולא מאנטי-חומר? במאמר החוקרים מצביעים על שבירת הסימטריה בין חומר לאנטי-חומר בחלקיקים שדומים יותר לחומר המקיף אותנו בחיי היומיום, כלומר מצב שבו הם אינם השתקפות מראה מושלמת זה של זה. כדי להבין מה בדיוק נמדד במאיץ ומהי אותה סימטריה שנשברה כדאי לחזור לתחילת הסיפור: מהו אנטי-חומר, איך הוא התגלה ואיך נולד הרעיון שלכל חלקיק יש תאום הפוך.
4 צפייה בגלריה
במחקר חדש זיהו החוקרים מאפיינים חדשים בהתנהגותו של אנטי-חומר, הקשורים לשאלה יסודית הנוגעת לו: מדוע היקום מורכב בעיקר מחומר ולא מאנטי-חומר? מאיץ החלקיקים הגדול של CERN
(צילום: Science Photo Library/Reuters)
זהה אבל הפוך
סיפורו של האנטי-חומר במדע התחיל בסוף שנות העשרים של המאה הקודמת. הפיזיקאי הבריטי פול דיראק (Dirac) ניסה לנסח תיאוריה שתחבר את תורת הקוונטים לתורת היחסות הפרטית, כדי להסביר תוצאות של ניסויים מאותה תקופה הקשורות למבנה האטום. הוא ניסח תיאוריה בשם מכניקה קוונטית יחסותית שחזתה בדיוק רב את ממצאי הניסויים. אך הייתה לה תוצאה נוספת ובלתי צפויה: מהתיאוריה עלה כי לכל חלקיק קוונטי יש חלקיק שזהה לו כמעט בכל תכונותיו, פרט לכך שהמטען החשמלי שלו הפוך – אם לחלקיק יש מטען חשמלי חיובי, חייב להיות גם חלקיק זהה שמטענו שלילי, ולהפך.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
הראייה החדה של כריש המעמקים הזקן
מחלות ללא גבולות: המרבורג באתיופיה נעצרת
כוכבי הים הנמסים של האוקיינוס השקט
תחילה התייחסה קהילת הפיזיקאים, ודיראק בתוכה, למסקנה הזאת כאל קוריוז תיאורטי ותו לא, אך כעבור ארבע שנים בלבד שינתה תגלית מפתיעה את התמונה. הפיזיקאי האמריקאי קרל אנדרסון (Anderson) חקר את התנהגותן של קרניים קוסמיות – שטף של חלקיקים עתירי אנרגיה שנפלטים בחלל ומגיעים לכדור הארץ. בגלל האנרגיה הגבוהה שלהן, כשהקרניים האלה פוגעות בחומר הוא מתפרק, ואנדרסון חקר את תוצרי ההתפרקות הזאת. במהלך המחקר נתקל אנדרסון בחלקיק שהתנהג בדיוק כמו אלקטרון אך מטענו החשמלי היה חיובי במקום שיהיה שלילי. במאמר שפרסם עליו הוא קרא לחלקיק פוזיטרון (Positron) – קיצור של “אלקטרון חיובי”. ארבע שנים לאחר מכן הוענק לו פרס נובל בפיזיקה על תגליתו.
במרוצת השנים התברר כי אף על פי שכמעט כל המציאות הסובבת אותנו מורכבת מחומר, אנטי-חומר ממלא תפקידי מפתח בתופעות פיזיקליות יומיומיות רבות, ובראשן התפרקויות רדיואקטיביות. בהמשך המאה העשרים, ככל שפיזיקת החלקיקים התפתחה, התברר כי כשחלקיק פוגש את האנטי-חלקיק המתאים לו – למשל אלקטרון ופוזיטרון – הם מבטלים (מאיינים) זה את קיומו של זה, בתהליך שבו נפלטת קרינה עתירת אנרגיה, כגון קרני רנטגן או קרינת גמא. לפיכך, מזל גדול מבחינתנו שאין כמעט אנטי-חומר סביבנו, אחרת היינו מוקפים קרינה מסוכנת.
4 צפייה בגלריה
במהלך המחקר נתקל אנדרסון בחלקיק שהתנהג בדיוק כמו אלקטרון אך מטענו החשמלי היה חיובי במקום שיהיה שלילי. תמונה שמראה את המסלול המעוקל של הפוזיטרון הראשון שהתגלה, ב-1932
(צילום: Science Photo Library/Reuters)
לאן נעלם האנטי-חומר?
אחרי שנשמנו לרווחה והבנו שכל החומר סביבנו הוא רגיל, נותרה השאלה מדוע זה כך?
הסבר אפשרי אחד הוא שבעצם יש ביקום הרבה אנטי-חומר, והוא פשוט נמצא רחוק מאיתנו. אם זה אכן המצב, היינו יכולים לצפות בקרינה הנפלטת מהתנגשויות בין חומר לאנטי-חומר באזורים שבהם ריכוזים גבוהים של אנטי-חומר באים במגע עם חומר רגיל. הבעיה היא שאיננו רואים קרינה כזאת בשום מקום. אפילו בטלסקופי החלל המשוכללים ביותר שיש לרשותנו כיום, איננו מוצאים אזורים כאלה ביקום. לכן אנו נוטים להאמין שזה לא המצב.
אפשרות שנייה היא שפעם הייתה ביקום כמות שווה של אנטי-חומר וחומר, אבל האנטי-חומר הושמד והחומר נשאר. גם ההסבר הזה לא תואם את הידע שלנו, כיוון שבתהליך האיון אמורה להיות מעורבת שווה של חומר ואנטי-חומר. לכן אם התחלנו עם כמות שווה של חומר ואנטי-חומר, תמיד תישאר כמות שווה.
האפשרות האחרונה היא שיש הבדל נוסף כלשהו בין חומר לאנטי-חומר, ובעקבותיו יש תהליכים פיזיקליים שנותנים לחומר עדיפות על פני האנטי-חומר.
מראה מעוותת
קצת יותר משלושים שנה אחרי גילוי האנטי-חומר התגלו ממצאים שהעידו על קיומם של תהליכים כאלה. הניסוי נערך ב-1964 במעבדות הלאומיות ברוקהייבן, בהובלתם של ג’יימס קרונין (Cronin) ושל ואל פיץ’ (Fitch) מאוניברסיטת פרינסטון. הניסוי בחן תהליכים פיזיקליים שעוברים חלקיקים לא יציבים בשם קאונים (Kaons), שמורכבים מחלקיקים יסודיים בשם קווארקים. ליתר דיוק, הקאון מורכב מקווארק כבד, כלומר בעל מסה גדולה, ואנטי-קווארק קל, או להפך. הניסוי הראה שקאון מסוג אחד יכול להפוך לקאון מסוג אחר, באופן שאינו שומר על סימטריה בין חומר לאנטי-חומר. זאת הייתה הראיה הראשונה לכך שבתנאים מסוימים חומר ואנטי-חומר מתנהגים אחרת. התגלית הזאת, שמכונה “סימטריית שיקוף-מטען”, זיכתה את קרונין ופיץ’ בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1980.
4 צפייה בגלריה
קצת יותר משלושים שנה אחרי גילוי האנטי-חומר התגלו ממצאים שהעידו על קיומם של תהליכים שנותנים לחומר עדיפות על פני האנטי-חומר. המעבדה בברוקהייבן בה נעשה הניסוי
(צילום: Science Photo Library/Reuters)
למה ראוי להעניק פרס נובל על שבירת סימטריה? ומה זה אומר בכלל? בחיי היומיום אנו מכירים סימטריות רבות. למשל אם נהפוך או נסובב מגן דוד, נגלה שאחרי רבים מהשינויים הללו הוא עדיין נראה בדיוק אותו דבר. בפיזיקה המודרנית, סימטריה היא שינוי שאפשר לבצע במערכת פיזיקלית כך שלא ישנה את האופן שבו היא מתנהגת.
לסימטריות יש תפקיד חשוב בפיזיקה, שכן אם אנחנו יודעים מהן הסימטריות שמאפיינות מערכת אנו יכולים ללמוד עליה רבות. למשל אנחנו יכולים לטעון שתהליכים מסוימים לא יכולים להתקיים בה.
במשך שנים רבות הניחו פיזיקאים שהטבע מקיים סימטריה לשיקוף, כלומר שתמונת מראה של היקום תתנהג בדיוק כמוהו. אך ב-1957 ניסוי שהובילה הפיזיקאית צ’יין-שיונג וו (Wu) הפריך את ההנחה הזאת. לאחר מכן סברו שיקום המראה יתנהג באותה צורה אם רק נחליף את כל החומר באנטי-חומר, אבל זוהי בדיוק הסימטריה שקרונין ופיץ’ הראו אותה נשברת. כעת פיזיקאים סבורים שהסימטריה קיימת רק אם נהפוך בה גם את ממד הזמן. כלומר רק יקום מראה שכל החומר בו הוחלף באנטי-חומר ושבנוסף גם נע אחורה בזמן, יתנהג בדיוק כמו היקום שלנו.
במשך שנים ניסו מדענים לצפות בשבירת הסימטריה הזאת בחלקיקים שדומים יותר לחומר המקיף אותנו בחיי היומיום, אך ללא הועיל. הקאונים מורכבים משני קווארקים, בעוד רוב החלקיקים ביקום – ובכלל זה פרוטונים ונייטרונים – מורכבים מצירופים של שלושה קווארקים.
עד כה לא נצפתה שבירת סימטריית שיקוף-מטען בחלקיקים כאלה. לאחרונה דיווחו חוקרים בכתב העת Nature כי במאיץ החלקיקים הגדול של CERN, שנקרא LHC, הצליחו בוודאות גבוהה לצפות בשבירת הסימטריה בחלקיקים המורכבים משלושה קווארקים. יתרה מכך, תוצאות המדידות מראות כי לשבירת הסימטריה בחלקיקים הללו יש מאפיינים שונים מאלה של שבירת הסימטריה שנמדדה בעבר בחלקיקים המורכבים משני קווארקים בלבד. ההבדל הזה מעניין כיוון שהמודל הסטנדרטי של החלקיקים אינו מסוגל להסביר את הפערים האלה, ולכן עשוי להיות ראייה חשובה לחוקים פיזיקלים שאינם ידועים לנו.
התצפית הזו מסעירה משתי סיבות: ראשית, היא מספקת הוכחה חשובה להתרחשותו של תהליך יסודי שניסו לצפות בו שנים רבות. שנית, שבירת סימטריית שיקוף-מטען היא אחד התנאים לכך שאנטי-חומר יושמד בקצב גבוה יותר מחומר. ליתר דיוק היא מתארת מנגנון שבו חומר ואנטי-חומר מתנהגים אחרת. החוקרים מקווים כי תצפיות כאלה יעזרו להסביר את ההבדלים בין חומר לאנטי-חומר, ואולי אף יסייעו לנו להבין מדוע היקום שלנו מורכב כמעט אך ורק מחומר.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
