בדרך לפיזיקה החדשה

הגלגל קטן, בבניה עכשיו © 2020 CERN

מאיץ החלקיקים הגדול בעולם, LHC, הופעל לראשונה היום לפני 12 שנה. להפעלה החגיגית ב-10 בספטמבר 2008 קדמו עשורים של תכנון, בנייה ומקצי שיפורים לקראת היום הגדול. למרבה האכזבה הושבת המאיץ זמן קצר לאחר הפעלתו ונכנס לתהליך ארוך של תיקונים ושדרוגים. שנתיים לאחר השקתו הוא שב לעבוד במשנה מרץ וכעבור שנתיים נוספות – ב-4 ביולי 2012 – התרחשה התגלית הדרמטית ביותר בתולדותיו עד כה: גילויו של בוזון ההיגס, חלקיק שבלעדיו אי אפשר להסביר את קיומה של מסה.

LHC הוא מאיץ חלקיקים טבעתי עצום שקוטרו 27 קילומטרים והוא פועל בפאתי שוויץ במסגרת המרכז האירופי לחקר הגרעין (CERN). בכל שנייה של פעילות מתרחשות בו עשרות מיליוני התנגשויות בין חלקיקים, בסביבה חמה פי 100 מהטמפרטורה השוררת במרכז השמש.

בניגוד לקודמיו בשושלת המאיצים, LHC אינו מאיץ אלקטרונים אלא מאיץ פרוטונים – גרעיני מימן. הפרוטונים מואצים בטבעת החלולה של המאיץ בשני כיוונים מנוגדים, וזאת כדי להפיק התנגשויות עתירות אנרגיה שיובילו להיווצרות חלקיקים שונים. על זיהוי החלקיקים האלה אמונים הגלאים החכמים של LHC, שהגדול שבהם הוא אטלס – גלאי חלקיקים שבו מעורבים עמוקות שלושה חברי סגל מהפקולטה לפיזיקה בטכניון: פרופ’ שלומית טרם, פרופ’ יורם רוזן ותלמידם לשעבר ד”ר אנריקה קחומוביץ, שהשלים בהנחייתם את התואר השני והשלישי בערך בתקופה שבה החל המאיץ לפעול.

גלאי אטלס, הפועל מאז יומו הראשון של המאיץ, עובר מקצי שיפורים אינסופיים שנועדו להתאימו לצרכים המשתנים של LHC. בחודשים האחרונים עסוקים חוקרי הטכניון, לצד השגרה נטולת השגרה, בבנייתו של “הגלגל הקטן החדש” – הגלאי המתקדם ביותר של אטלס. לדברי פרופ’ טרם, “המאיץ כולו עובר שדרוג שיגביר את קצב העבודה שלו פי 10, ולכן אנחנו חייבים להתאים את אטלס למציאות החדשה ולספק יכולות גילוי ברזולוציה חסרת תקדים.”

קיומו של בוזון היגס נחזה, על סמך מודלים תאורטיים, כבר ב-1964, וגילויו במתקן LHC כעבור 48 שנים זיכה את הפיזיקאים פיטר היגס (בריטניה) ופרנסואה אנגלר (בלגיה) בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2013 – שנה בלבד לאחר גילויו התצפיתי.

גלגל גדול (בנוי לפני 2008) ATLAS Experiment © 2006 CERN

בוזון היגס נחשב במשך עשרות שנים לחוליה החסרה במודל הסטנדרטי, שהוא התיאוריה המרכזית בפיזיקה בת ימינו. היגס ואנגלר הסיקו את קיומו מתוך העדרו של הסבר מניח את הדעת למסתם של חלקיקים. “במילים אחרות,” אומרת פרופ’ טרם, “המודל הסטנדרטי ללא בוזון היגס לא הצליח להסביר מה מעניק לחלקיקים את המסה – תכונה שבלעדיה לא יפעלו חוקי הטבע כפי שהם מוכרים לנו. זו הסיבה שאימותו של הניבוי הובילה להתרגשות עצומה בקהילה המדעית וכאמור לפרס נובל בפיזיקה.”

ומדוע נדרשו הפרופסורים היגס ואנגלר להמתין כמעט חצי מאה כדי לקבל את פרס נובל? כי האימות הניסויי למודל שלהם הצריך, ראשית, מאיץ עתיר אנרגיה שיספק את ההתנגשויות הנדרשות ליצירתו של בוזון היגס; ושנית – גלאים מורכבים וחכמים שיוכלו לאמת את קיומו של החלקיק ואת זהותו. ואכן, הבוזון החמקמק נצפה ביולי 2012 לא רק באטלס אלא גם באחד הגלאים האחרים ב-LHC, והצלבת המידע בין שני הגלאים אפשרה לקהיליית CERN להכריז בביטחון שהחלקיק האבוד נמצא.

אז גילינו את היגס – מה הלאה? “המטרה שלנו באטלס, וב-LHC בכלל, רחבה הרבה יותר מגילוי בוזון היגס,” מסביר פרופ’ רוזן. ” במידה רבה, LHC הוא החזית הניסויית של הפיזיקה המודרנית, ואחת המטרות השאפתניות שלנו היא גילוי הפיזיקה החדשה, הפיזיקה שתמלא את החוסרים הקיימים במודל הסטנדרטי. תאוריית המודל הסטנדרטי, שניצחה את כל מתחרותיה המדעיות, עדיין מצפה לתצפיות שיסתרו את תחזיותיה וירחיבו אותה, והניסויים האלה מצריכים תשתיות חסרות תקדים שעליהן אנחנו עובדים ללא הרף ב-LHC.”

אחד הניבויים המעניינים הנחקרים במאיץ הוא קיומו של החומר האפל, שמציאותו הוסקה מתוך תופעות כבידתיות שונות. “החומר האפל הוא מרכיב חשוב מאוד ביקום,” מסביר ד”ר אנריקה קחומוביץ,” כי הוא מהווה כ-95% מהחומר, ואילו החומר המוכר לנו מהווה רק 5%. הבעיה היא שבניגוד לחומר רגיל, החומר האפל אינו נקלט במכשירים כגון טלסקופים מפני שאינו מקיים אינטראקציה עם עדשות הטלסקופ, כמו גם עם גלאים אחרים. זו הסיבה שהוא נקרא ‘אפל’. לכן הדרך לחקור אותו היא להסיק את תכונותיו באופנים עקיפים, מתוך גילוי חלקיקים אחרים שהוא פולט. במילים אחרות, אנחנו יודעים את מגבלותינו ומבינים שאין טעם לקוות שפתאום ‘נראה’ את החומר האפל; אבל נוכל להסיק את קיומו מתוך ‘הפתעות’ פיזיקליות שאינן מוסברות בלעדיו.”

העבודה באטלס אינה מסתיימת לעולם, אבל חוקרי הטכניון בטוחים שהסבלנות, שהובילה לגילויו של בוזון היגס, תשתלם גם בעתיד. “תגליות הן כמובן חלק חשוב בהתקדמות המדעית,” אומר ד”ר קחומוביץ, “אבל אנחנו לא מזלזלים ב’אי-תגליות’, כלומר באירועים שמפריכים את הניבויים שלנו. הממצאים הניסויים שאנחנו מקבלים באטלס מאפשרת לנו לפסול כיוונים מסוימים שפשוט לא עובדים, אפילו אם הם נראו מעולים כרעיונות מדעיים. כך, על ידי פסילה של דרכים ללא מוצא, אנחנו פנויים יותר להתמקד בכיוונים חדשים – או בכיוונים ישנים שעדיין יש תקווה שיפיקו תועלת.”

ד”ר אנריקה קחומוביץ בגלאי אטלס