על מאיץ ההידרונים והניסוי המדעי שמסעיר את העולם

הכתבה פורסמה גם בעלון השבת "עולם קטן", פרשת כי תבא

באופן כמעט צפוי מראש, גם בחנוכת מאיץ ההידרונים הגדול בשוויץ-צרפת בשבוע שעבר התמקדה התקשורת בנקודה שולית ו"סנסנציונית" לחלוטין. העיסוק בשאלה האם בניסוי ייווצרו חורים שחורים שישמידו את העולם, הסיט את הדיון מהנקודות המשמעותיות של הניסוי הענק הזה, שמסתבר שמתוכנן ונבנה כבר 15 שנה, ושהוא ככל הנראה הניסוי המדעי הגדול והיקר ביותר שהיה מעולם (בהנחה שהטיסה לירח לא נחשבת לניסוי מדעי טהור).

איפה זה מתחיל?
כמו הרבה מאוד דברים בפיסיקה המודרנית,

העקרונות של הניסוי הגדול הזה מתחילות אצל איינשטיין. איינשטיין ניסח מחדש את עקרונות הפיסיקה ובין שאר הדברים גם הגדיר שיש הבדל גדול בין הפיסיקה וחוקיה כפי שאנו מכירים אותם בעולם ה"גדול", של דברים ומוצרים בגודל נורמלי, לבין הפיסיקה של החלקיקים הזעירים המרכיבים את החומר, כמו האלקטרונים והפרוטונים. החוקים פשוט שונים! דוגמאות? בפיסיקת החלקיקים החומר לא מוגדר כחומר של ממש, אלא לעיתים כחומר ולעיתים כגל (מה ההבדל? גל, לדוגמא, יכול לעבור מחסומים של חומר אחר! ואילו חומר יתנגש במחסום). בפיסיקה קוונטית החוקים לא מוחלטים ולא נותנים את אותם תוצאות! וההבדלים באים לידי ביטוי באין סוף משמעויות.

המכניקה של החלקיקים הזעירים כל כך
באופן עקרוני מכניקת הקוונטים מדברת על רמות האנרגיה, כיוון התנועה, והיחסים בין החלקיקים הזעירים שמרכיבים את החומר, אולם מכיוון שמדובר על חלקיקים זעירים כל כך, הרי שאי אפשר לראות אותם בשום מיקרוסקופ ובמקרים רבים גם אי אפשר למדוד את תוצאות הניסויים.
כך שרוב פיסיקת הקוונטים מבוססת על תיאוריות, משוואות ותחזיות ש"אם התיאוריה שלנו נכונה, הרי צפוי שהחומר יתנהג כך וכך...". הניסויים, ברוב המקרים, מנסים לאשש את התיאוריות או לסתור אותן. התיאוריה המקובלת כיום, שגם הוכחה בהרבה מאוד ניסויים, קרויה ה"מודל הבסיסי".
הבעיה היא שישנן עובדות פיסיקליות שהתיאוריה הזו לא מצליחה להסביר... ביניהן גם אחת העובדות המרכזיות ביותר של ה"פיסיקה הרגילה" – כח המשיכה! פשוט, לפיסיקה של החלקיקים אין הסבר לעובדת כוח המשיכה ולמה הוא קיים... בלשון המקצועית לא משתמשים יותר בביטוי "כח המשיכה" אלא בביטוי "מסה". לפי דברי אחד הפרופסורים במאיץ הגדול – כאשר אנחנו מחברים יחד את המסה של החלקיקים הקטנים שמרכיבים את החומר, הרי שאנחנו מגיעים בקושי ל2% מהמסה של הפרוטון עצמו! אנחנו צריכים להסביר את כל שאר ה98%! או במילים פשוטות – נכונה האגדה המדעית שטוענת שבאופן תיאורטי ניתן לדחוס את כל העולם בקופסת גפרורים...
אחת ההנחות והגילויים של התיאוריה הבסיסית היא שמה שנחשב פעם לחלקיקים הקטנים ביותר, דהיינו הפרוטונים והאלקטרונים, מורכבים גם הם מחלקיקים זעירים עוד יותר... החוקרים, באופן טבעי, מנסים לבודד את החלקיקים הללו ולמדוד את התנהגותם וכך ללמוד יותר על מהותו של החומר... כאשר על כל המחקרים הללו חלים המגבלות שהוזכרו – העובדה שקשה מאוד למדוד את התוצאות, העובדה שישנה רק "הסתברות" לקבל תוצאות מסוימות והעובדה שצריך להשתמש במתמטיקה גבוהה מאוד ובנוסחאות סטטיסטיות כדי להבין מה בכלל קיבלנו.

מה בעצם עושה המאיץ
אחת הדרכים לחקור את הפרוטון היא לנסות ולפרק אותו למרכיבים הבסיסיים שלו, וזאת על ידי גרימה של... התנגשויות פרוטונים באנרגיות גבוהות מאוד. לצורך המטרה הזו הומצאו "מאיצי הפרוטונים". במכשירים הענקיים הללו בונים המדענים מכשיר חשמלי שפולט פרוטונים לתוך "מנהרה" ארוכה ועגולה שהקוטר שלה הוא בערך הקוטר של כדור פינג פונג... שזה כמובן גודל אדיר יחסית לקוטנם המדהים של הפרוטונים עצמם. כך שהפרוטונים "מתפזרים בחלל" ויש צורך לרכז אותם, דבר שנעשה על ידי מגנטים רבים ועוצמתיים שמקוררים לטמפרטורה נמוכה מאוד עד שהם משמשים כ"מוליכי על" (אנקדוטה – במהלך בניית המאיץ נשבר אחד המגנטים והיה צורך להחליף אותו, במשך כמה חודשים חיממו אותו הטכנאים עד שהוא הגיע לטמפרטורה נורמלית, החליפו את החלק השבור ואז נאלצו לקרר אותו שוב במשך כמה חודשים נוספים!). אחרי שהפרוטונים, או כפי שמכנים אותה "אלומת הפרוטונים", עוברים ליד עוד ועוד מגנטים הם הולכים ומתקבצים והאלומה נעשית דקה ומרוכזת יותר ויותר ומהירה מאוד, עד בערך עובי של חוד מחט, שגם זה בעצם שטח רחב מאוד... ואז, לאחר שהאלומה הופכת למרוכזת ודחוסה ומהירה באופן מדהים – גורמים לפרוטונים להתנגש בחומרים שונים, מה שגורם לחלק מהם להתפרק לחלקיקים הקטנים יותר שמרכיבים אותם לפרק זמן קצר ביותר... בשלב הזה – ניתן יהיה למדוד מדידות שונות של התנהגותם. פעמים רבות, כמו במאיץ ההידרונים החדש, ישנן שתי אלומות שמתנגשות אחת עם השנייה, מה שמכפיל את עוצמת ההתנגשות ואת האנרגיות שבהן זה קורה.
במאיץ ההידרונים הגדול, כל זה קורה, בעוצמות שלא היו אף פעם. כך מגיעות שם שתי האלומות למהירות הקרובה מאד למהירות האור ולאנרגיות מטורפות (ומי שזוכר קצת את הפיסיקה שלו, הרי יודע שמהירות ואנרגיה הם בעצם אותו דבר)... הצפייה מכל הסיפור הזה היא שהמאיץ יגרום לגילויו של עידן חדש לחלוטין בפיסיקה, לא פחות!
נשמע מוגזם? אז זהו שכך בדיוק רואים המדענים את הדברים. עד היום התגלו בהתפרקויות הללו עובדות מדהימות על החומר, חלקיקים רבים שנוצרו על ידי ההתנגשויות ושאלות רבות שנותרו בלתי פתורות...
השמות שנותנים המדענים לחלקיקים שנחשפים בהתנגשויות הללו והתיאוריות שנבנות בעקבות הניסויים הופכים ליותר ויותר "רוחניים" ובעלי הגיון שונה לחלוטין ממה שמקובל במחקר רגיל... כך מוגדרים חלק מהחלקיקים כ"חלקיקי חומר" (קוורקים) וחלק אחר מוגדרים כ"חלקיקי כח" (בוזונים), והשמות שלהם מזכירים יותר עולמות רוחניים מאשר פיזיקה. שמות כמו – "קסום", "מוזר", "למעלה", "למטה", "עליון", "תחתון" ואפילו "עליון ימני" לעומת "עליון שמאלי". נקודה חשובה נוספת היא העובדה שחלק ניכר מהחלקיקים הללו מופיעים לזמן קצר ביותר ואחר כך דועכים אל תוך העולם הקטן כל כך של האטום הבודד. ואפילו... נוצרים "יש מאין" לזמן קצר, עד שהם נעלמים שוב. כפי שאמר אחד מהפיסיקאים של החלקיקים הזעירים – "פרשנות של אלקטרודינמיקה קוונטית דורשת מאבק איתנים נגד האינטואיציה הרגילה... זוג של חלקיק ואנטי-חלקיק יכול להופיע היישר מתוך לא כלום, מתוך הריק". למעשה, כפי שכבר כתבנו בעבר, החל מקבלת ה"מפץ הגדול" כעובדה פיסיקלית, המושג "יש מאין" כבר איננו זר לפיסיקה, שעד לפני זמן לא רב טענה שה"עולם קדמון"... אולם לא רק זה שההכרה בכך שהעולם נברא בנקודת זמן מסוימת הולך ותופס מקום בלעדי בתיאוריות הקוסמולוגיות של המדע, אלא מסתבר שככל שהמחקר מתקדם הרי שגם השימוש במושגים "רוחניים" וכמעט קבליים הופך להיות חלק מהעבודה של כמעט כל חוקר קוונטי - ישנן "אנרגיות" ולא "חומרים", אין הסבר למסה אלא אם כן נמצא איזה חלקיק עלום, מושגים כמו "חומר" ו"אנטי חומר", ואולי בעיקר הסימטריה המושלמת וההתאמה המדהימה בין הסופר גדול של הגלקסיות, לחלקיקים הזעירים ביותר שמרכיבים את החומר ה"פשוט".

מחפשים את "היגס"
כפי שכבר ציינו, התיאוריה הבסיסית של הפיסיקה הקוונטית אינה מסבירה עדיין כמה עובדות חשובות – ביניהן שלוש שאלות מרכזיות: א) מה גורם לכך שלחומר יש מסה, מכיוון שלפרוטון יש יותר מסה מאשר המסה של החומרים המרכיבים אותו! ב) כל חומר ממוזער מורכב מ"חומר" ומ"אנטי חומר" שערכי האנרגיה שלו הפוכים מאלו שאנו מכירים, והשאלה היא מדוע העולם "מעדיף" את החומר על פני האנטי חומר וממנו הוא בונה את אבני היסוד. ג) מה מקור הסימטריה של הכוחות והמרכיבים שבונים בסופו של דבר את הפרוטון.
ההנחה היא שבתיאוריה חסר מרכיב נוסף, הקרוי בפי המדענים "היגס" שהוא זה שנותן לחומר את המסה ושעונה על השאלות הנוספות בצורה זו או אחרת. אולם, מרכיב זה מעולם לא נחשף... ואחת המטרות של המאיץ הגדול היא לחשוף אותו על ידי התנגשות באנרגיה גבוהה ביותר. אילולי האנרגיה שטמונה באותו מרכיב עלום, היו שאר המרכיבים של הפרוטון "מתפזרים" לגודל של כדור טניס בערך במקום הגודל הכל כך קטן שיש להם היום... מה שהיה הופך את העולם למקום אחר לגמרי, אם בכלל... חלק ניכר מהמדענים טוענים שחשיפת ההיגס היא המטרה המרכזית של המאיץ הענק באירופה.

למה זה חשוב?
לא תמיד ניתן לקשור בין מחקר תיאורטי, כמו זה שמתבצע במאיצים, לבין העולם המחקרי המעשי. לא מדובר כאן במחקר דוגמת מחקרים רפואיים שנועדו לגלות תרופות חדשות או אפילו במחקרים מכניים שנועדו למצוא דרך טובה יותר להגן על נוסעי מכונית. אולם מילארדי הדולרים שמושקעים במאיצים ובמחקרים דומים חשובים מאוד להבנת עצם העולם שסביבנו. בסופו של דבר חלק ניכר מהתגליות מביאות גם פיתוחים טכנולוגים מעשיים, אולם לא רק בכך חשיבותם... החשיבות הגדולה טמונה בעצם ההבנה של היקום, הקשר בין המזעור העצום של הבריאה לבין המרחבים האין סופיים של היקום ובהבנת החכמה האלוקית הבלתי נתפסת שבכל אטום זעיר שמקיף אותנו, החל מהשמשות בגלקסיות רחוקות ועד לאטומים המעכלים שבמערכת העיכול של האדם. חלק ניכר מהתיאוריות של המכניקה הקוונטית פועלות דווקא בשני ההפכים – בקנה המידה הממוזער כל כך של מרכיבי האטום ובקנה המידה הגלקטי!


מספרים על המאיץ הגדול-
מהירות הפרוטונים במאיץ מגיעה ל 99.9999991% ממהירות האור.
מספר הפרוטונים בכל "צרור" מגיע עד 100 ביליון. באלומה אחת ישנם כ2808 צרורות ומתוך 31 מפגשי צרורות בשניה, יהיו כ20 (!) התנגשויות.
במאיץ 4 גלאי ענק - הגדול שבהם יכול למלא חצי מגרש כדורגל ובכבד שבהם יש יותר פלדה מאשר במגדל אייפל.
הנתונים שמפיק המאיץ יכולים למלא 100,000 דיסקים קשיחים בכל שנייה! כך שהוקצתה מערכת מדהימה בגודלה של מחשבי מיון לאחסון הנתונים אלו.
המנהרה חצובה בסלע מוצק, בעומקים של בין 50 מטר ל175 מטר, ואפילו השפעת הגאות שגורם הירח חייבת להילקח בחשבון בחישובים.
הפרויקט הוא בינלאומי בכל מובן, ומעורבים בו מדענים מעשרות מדינות, בהן ישראל.

רוב הנתונים הסטטיסטיים נלקחו מגליונות "סיינטיפיק אמריקן"של השנה האחרונה.