חומר אפל, אנרגיה אפלה וגורל היקום – פרק מתוך הספר החדש “המסע אל שחר היקום”

הספר עוסק בחיפוש אחר החלקיקים החמקמקים במאיץ החלקיקים ב-CERN.

בהוצאת אריה ניר יצא לאור הספר “המסע אל שחר היקום” מאת אמיר אקסל. מאנגלית: עמנואל לוטם.

מנין באנו, ממה אנו עשויים ולאן מועדות פנינו? מה קרה במפץ הגדול?
המאיץ הגדול להתנגשויות הדרונים הוא המכונה האדירה ביותר שנבנתה אי פעם. המיזם הנועז הזה של צר”ן ( (CERN, הארגון האירופי למחקר גרעיני, שואף לשחזר במנהרת הטבעת שלו שאורכה 26.5 ק”מ, את תנאי החום והצפיפות העצומים ששררו לפני 13.7 מיליארד שנה בקירוב, בשברירי השנייה הראשונים אחרי הולדת היקום במפץ הגדול.
כיום מחולל המאיץ התנגשויות פרוטונים במהירות של 99.9999991% ממהירות האור, הישג בל ייאמן שלא הושג מעולם. בעזרת המאיץ הגדול מקווים המדענים לזהות את החלקיקים היסודיים ביותר שמהם בנוי החומר ביקום, להבין את החוקים העומדים ביסודם של כל כוחות הטבע – ואולי אף לפתור את חידת הבריאה.

כמה ממדים יש ליקום? האם יש דבר כזה “אנטי יקום”, ואם אין לאן נעלם ה”אנטי יקום”?
אמיר אקסל מוביל אותנו לתוך חדרי הבקרה של צר”ן ברגעי מפתח ומציג לפנינו את הצוות הבינלאומי של המדענים השואפים להגשים את התקוות המזהירות שנתלו במאיץ. אקסל מסביר את המושגים המדעיים הנחוצים להערכת התגליות העתידיות לנבוע מהמכונה הגדולה הזאת כאשר תופעל במלוא עוצמתה. לצורך כתיבת הספר ראיין אקסל שלושה-עשר חתני פרס נובל בפיסיקה ומדענים רבים נוספים – פיסיקאים, קוסמולוגים ומתמטיקאים – ובעזרתם הוא מוביל אותנו למסע תגליות מרתק את התרחשות שיש בכוחה לשנות את תפיסתנו את העולם.

מה טיבו של החומר האפל הממלא את הגלקסיות? האם יש סכנה שפעילות המאיץ תצור חור שחור שיבלע את עולמנו?

המסע אל שחר היקום, Present at the Creation, פרי עטו של אחד מטובי הפרשנים הפופולאריים של המדע החיים אתנו היום, מאפשר לנו להתחקות אחרי מהלכו של הניסוי המופלא ביותר בתולדות המדע, המבטיח לקיים את בקשתו של איינשטיין, “אני רוצה לדעת על מה חשב אלוהים – כל השאר הוא פרטים.”

ד”ר אמיר אקסל ( Amir D. Aczel) הוא חוקר של ההיסטוריה של המדע באוניברסיטת בוסטון. חיבר חמישה-עשר ספריו עיון, ביניהם “חידת המצפן” שראה אור בהוצאת אריה ניר וכן את הספר Fermat’s Last Theorem: Unlocking the Secret of an Ancient Mathematical Problem שתורגם ל 22 שפות.

11

חומר אפל, אנרגיה אפלה וגורל היקום

תורת היחסות הכללית של איינשטיין היא מופת, בעיני רבים, לתיאוריה פיסיקלית מושלמת: במשוואות איינשטיין מצויה הסגולה הקרויה בפי הפיסיקאים יופי, או אלגנטיות. מה פירוש הדבר?
התיאוריה של איינשטיין מתארת מציאות מרחב־זמנית מורכבת ביותר, במשוואות מצומצמות עד להדהים, ועם מספר מזערי של פרמטרים. משום כך עולה התיאוריה בקנה אחד עם העיקרון הקרוי “תער אוֹקָאם”: לתיאוריה הפשוטה ביותר יש הסיכוי הטוב ביותר להתגלות כנכונה. או כפי שהציג את הדברים איינשטיין, בהתבטאות מפורסמת, תיאוריה צריכה להיות “פשוטה עד כמה שאפשר, אבל לא יותר מזה”.
יש בה גם סימטריה אדירה וחובקת־כול של המרחב – המונח המקצועי הוא קוֹ־וַרִיאַנטִיוּת כללית – המניחה שחוקי הפיסיקה אינם תלויים במערכת הקואורדינטות המשמשת אותנו לציון מרחב וזמן, תהיה אשר תהיה. אם ניקח איזו עיר אידיאלית לדוגמה, המרחק בין רחוב 34 פינת השדרה השנייה לבין רחוב 19 פינת השדרה הרביעית אינו צריך להיות תלוי בתוויות המשמשות אותנו לסימון הרחובות והשדרות (בהנחה שאלה חוצים את אלה בזוויות ישרות, ושהמרווחים ביניהם שווים). על הסימטריה הזאת מתבססת הלוגיקה של מודל איינשטיין, והיא המעניקה לו את האלגנטיות שלו; והיא נחוצה גם להסברת חוקי הפיסיקה. בעקבות איינשטיין, רעיון האלגנטיות לבש חיים משל עצמו בפיסיקה, לא רק משום שהוא מפיק משוואות נעימות לעין מבחינה אסתטית, אלא גם משום שנראה כי האלגנטיות פועלת ככלי להסברת הטבע. משוואות נעימות לעין, לרוב הן גם נכונות: הטבע אוהב יופי.
הצלחת המודל הגדול הבא של הפיסיקה, המודל התקני – עוד תיאוריה המבוססת על מושג הסימטריה – דרבנה את הפיסיקאים לחפש עוד מודלים נעימים לעין מבחינה מתימטית ואסתטית, מתוך אמונה עמוקה שמודלים כאלה, טובים סיכוייהם להתגלות כנכונים בתיאור הטבע. ועם זאת, האם הטבע מקפיד תמיד על העקרונות האלה? בפרק זה ובבא אחריו נתוודע לכמה תיאוריות פיסיקליות חדשות יחסית – הן פותחו בעיקר בשליש האחרון של המאה העשרים (אם כי שורשיהן יורדים אל עשורים קודמים באותה מאה) – הנחשבות יפות, מרתקות ומהנות, בעיני המעיינים בהן והמפתחים אותן הלאה. אבל אף לא אחת מהתיאוריות הללו מצאה עד עכשיו שמץ של חיזוק בדמות ראיות מן הניסוי.
מנגד יש תופעות פיסיקליות שעד כה נבצר מאיתנו להסבירן. משום כך יש צורך עז לשאוף לשידוך המודלים האלגנטיים עם התופעות הלא־מוסברות, והפיסיקאים מקווים שלפחות חלק מהתעלומות האלה ייושבו באמצעות אחת או יותר מהתיאוריות החדשות והיפהפיות הללו. ייתכן שהמבחן העליון של חלק (לפחות) מהמודלים הללו יהיה במה”ג.
מאז שנות העשרים של המאה העשרים ידוע לנו שהיקום הולך ומתפשט, אבל לא הרבה היה ידוע על השתנותה של מהירות ההתפשטות במרוצת הזמן הקוסמי. פיסיקאים רבים הניחו כי הואיל וכוח הכבידה משתרע עד־בלי־גבול במרחב, המשיכה ההדדית של כל המסה ביקום צריכה להאט בסופו של דבר את ההתפשטות שהחלה במפץ הגדול, כך שהיקום ישוב ויקרוס לתוך עצמו במועד כלשהו בעתיד הרחוק. ואז אולי יתחולל מפץ גדול נוסף, כחלק ממחזור תמידי של לידה, מוות ולידה מחדש.
אבל ב־1998 נופצה לרסיסים הפילוסופיה האופטימית הזאת של הטבע השב ומתחדש בהתמדה. שני צוותים של אסטרונומים, האחד בברקלי בראשות סול פרלמוטר והאחר בהרווארד בראשות רוברט קירשנר, הכריזו בנפרד זה מזה על תגליות מפתיעות שנמצאו בחקר קצב התרחקותן של גלקסיות מרוחקות מאוד. החוקרים דיווחו כי התפשטות היקום אינה מואטת כלל ועיקר, אלא דווקא הולכת ומואצת. המשמעות היא שאם לא יתערב באורח פלא איזה כוח שיגבר איכשהו על התאוצה, התפשטות היקום תימשך לעד. בסופו של דבר, בעתיד הרחוק מאוד, היקום ייעשה דליל ביותר, וימות אחרי שכל הכוכבים ימצו את הדלק הגרעיני שלהם.
הממצאים האלה חוללו סנסציה מדעית – איש לא ציפה להם. בהמשך זוהה הזרז המתימטי של ההתפשטות המואצת, בדמות קבוע שנזנח זה־כבר – הקבוע הקוסמולוגי (שסימנו האות היוונית לַמדָא) שבו השתמש לראשונה איינשטיין במודל היקום שבנה ב־1917. הוא עשה זאת משום שמודל היקום שלו שאף להתפשט, ואילו האסטרונומים של אותם ימים אמרו לו שהיקום סטטי. לכן הוסיף איינשטיין למשוואותיו את האיבר למדא, כדי למנוע בעד היקום מלהתפשט – וכך החמיץ את ההזדמנות לנבא תיאורטית את התפשטות היקום…
משנודע לאיינשטיין ב־1929 כי וֶסטוֹ סלַייפֶר, אדווין הָאבּל ומילטון הְיוּמָסוֹן גילו שהיקום אכן מתפשט, השליך את למדא ככלי אין חפץ בו וקרא בקול: “אם כן, חסל סדר הקבוע הקוסמולוגי!” צחוק הגורל הוא שמודל של יקום מואץ מחייב שימוש בלמדא במשוואת איינשטיין, אלא שמעתה תפקידו הוא לא למנוע את התפשטות היקום, אלא דווקא להאיץ אותה.
אם למדא הוא המודל לכוח האחראי להאצת התפשטות היקום ואם לאו, המדענים לא הצליחו לזהות את הכוח שבו מדובר. המסקנה הבלתי־נמנעת היא שחייבת להיות איזו צורה לא־ידועה ומסתורית של אנרגיה הממלאת את כל המרחב – צריך להיות משהו, בכל קצווי המרחב, מין כוח צללים, ה”דוחף” בהתמדה את עצם מארג המרחב־זמן, גובר על כוח הכבידה והודף את המרחב כלפי “חוץ”. זהו מין כוח משונה שאי־אפשר לראותו או להרגיש בו, מלבד בפעולתו להאצת התפשטות היקום. האנרגיה הבלתי־נראית הזאת נקראת אנרגיה אפלה.
גילוי האנרגיה האפלה שב והעלה על סדר היום תעלומה אחרת הנוגעת ליקום בכללותו, שהמדענים תהו עליה מאז גילה אותה ב־1933 האסטרונום השווייצרי־אמריקאי פריץ צוִויקי מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. אחרי עיון קפדני במשיכת הכבידה הקולקטיבית שמפעילות גלקסיות על כוכביהן שלהן ועל גלקסיות אחרות בצביריהן, הגיע צוויקי לכלל מסקנה שאין מנוס ממנה: הדברים אינם מסתכמים כהלכה. המסות של הגלקסיות, המחושבות לפי מספר הכוכבים וכמויות האבק בהן, אינן מתחילות אפילו להתקרב לגודל הדרוש כדי למנוע את התפוררות הגלקסיות תוך־כדי סיבובן סביב עצמן! מסקנתו הייתה שהיקום חייב להכיל הרבה יותר מסה ממה שאנו יכולים לראות בטלסקופים שלנו. המסה החסרה המסתורית הזאת נקראת כיום חומר אפל.
כל המחקרים האסטרונומיים שהתנהלו בשנים שלאחר מכן, בטלסקופים בעלי עוצמה הולכת וגדלה ובשיטות ניתוח שגם עוצמתן הלכה וגברה באורח דומה, לא הצליחו ליישב את בעיית הפער העיקש הזה שגילה צוויקי, בין הסכום הכולל של מסה נראית לבין הסכום הכולל של מסה כפי שחוּשב על־סמך משיכת הכבידה הקולקטיבית של הגלקסיות. ובכן, איפה היא, כל המסה החסרה הזאת של היקום? עד כה זוהה החומר האפל אך ורק לפי השפעת הכבידה החזקה שלו על החומר הרגיל. ככל הנראה, אין הוא מעורב כלל בפעולות גומלין אלקטרומגנטיות, שלא כמו החומר הרגיל. איננו רואים אותו ואיננו מרגישים אותו – אבל אנחנו יודעים שהוא קיים, מפני שהוא נחוץ לאיזון כל כוחות הכבידה הדרושים להחזקת הכוכבים והגלקסיות במקומותיהם.
כיום סבורים המדענים שלא פחות מ־96 אחוזים מכלל המסה־אנרגיה של היקום (השניים שקולים זה לזה לפי נוסחת איינשטיין, כזכור) הם אפלים: 73 אחוזים הם אנרגיה אפלה; 23 אחוזים הם חומר אפל; וכמעט כל ארבעת האחוזים הנותרים של מסה־אנרגיה הם אבק וגז. רק כמות של 0.4 אחוז מכל המסה־אנרגיה של היקום קיימת בצורת כוכבים פולטי אור. במילים אחרות, חומר אפל מהווה 85 אחוזים, לא פחות, מכל החומר ביקום.
החישובים מלמדים כי אין סיכוי רב שהחומר האפל מתחבא בחורים שחורים, או שאפשר להסבירו באמצעות נייטרינים, אותם חלקיקים המצויים בשפע כה גדול, שאינם באים כמעט בפעילות גומלין עם חומר אחר. המסה הכוללת שלהם אינה מסתכמת במספר קרוב כלל ועיקר לכמות החסרה. נכון לעכשיו, שום איש אינו יודע שום דבר על טיבה של הכמות הכבירה הזאת של חומר חסר ביקומנו.
כיום מייחסים המדענים חשיבות בהולה מאוד לצמד התעלומות הללו של מסה־אנרגיה של היקום – חומר אפל ואנרגיה אפלה – משום שהתעלומות הללו עמדו עד כה בפני כל ניסיונותינו לרדת לחקרן. לפיכך מתנהל במלוא המרץ חיפוש למציאת מועמדים לתפקיד החומר האפל, המהווה כמעט רבע מכל מה שמצוי ביקומנו, ולנסות להסביר את האנרגיה האפלה. הצורך לפתור את החידות הללו גייס את הפיסיקאים של החלקיקים – המומחים לחקר הדברים הקטנים מאוד – לעזרת האסטרונומים, האסטרופיסיקאים והקוסמולוגים, שכל מאמציהם לתת תשובות לשתי הבעיות הללו בממלכת הדברים הגדולים מאוד סוכלו עד עכשיו. הפיסיקאים של החלקיקים נענו לאתגר, ועכשיו הם מנסים לחקור את הפיסיקה שמעבר למודל התקני בחיפוש אחר פתרונות.
בחיפושיהם אחר מועמדים לתפקיד החומר האפל העלו הפיסיקאים אפשרויות רבות, ביניהן חומר אקזוטי: חלקיקים משונים, פרי הדמיון, ולא ישויות המבוססות על משהו שנגלה לעינינו בעולם הפיסיקלי הסובב אותנו. אחדים מהמועמדים האפשריים לחומר אפל שהציעו הפיסיקאים מסתוריים במידה כזאת שאין להם שמות, והם מסומנים באותיות כמו “D” (לציון dark, “אפל”) או “X” (לציון “נעלם”), או בכינויים כמו “כדורי־Q” (גושים חסרי־צורה של חומר), אַקסיוֹנים או סַאקסיונים. לפי שעה, הישויות האקזוטיות האלה קיימות רק בדמיון; אבל אם יזוהה חומר משונה מעין זה בניסויי מה”ג, אין ספק שהוא ישנה את השקפותינו על מבנה היקום.
כמה פיסיקאים העלו את האפשרות שהחומר האפל יתגלה לעינינו באמצעות פעולות הגומלין שלו: אם חלקיק חומר אפל יתאיין במפגש עם אנטי־חלקיק של חומר אפל, אולי תשתחרר אנרגיה שנוכל להבחין בה. כמתואר לעיל, הלוויין פָּמֶלָה (ראשי התיבות המאולצים במקצת של “מטען שימושי לחקר אנטי־חומר–חומר ולאסטרופיסיקה של גרעינים קלים”), ששוגר ב־2006 על ידי קונסורציום של מדענים אירופים, מחפש אנטי־חומר בחלל. הוא מחפש גם ראיות לפעילות גומלין מסוג זה בדיוק – התאיינות חלקיקים של חומר אפל בבואם במגע עם אנטי־חלקיקים של חומר אפל.
לדברי גורדון קֵיין, פיסיקאי חלקיקים בכיר מאוניברסיטת מישיגן, נתוני פמלה האחרונים עולים בקנה אחד עם תהליכי התאיינות כאלה, ואולי יוכלו לספק ראיות עקיפות לתימוכין בקיומו של חומר אפל.

התקווה הגדולה ביותר התלויה בתוצאות מה”ג, אחרי גילוי ההיגס, היא עזרת המאיץ בזיהוי חלק מהמסה החסרה של היקום על־ידי גילוי קבוצה חדשה של חלקיקים, שאת קיומם מנבאת תיאוריה מסוג מסוים המרחיבה את הסימטריה של המודל התקני – או אולי אף כמה קבוצות חלקיקים כאלה.

הסימטריות הקיימות בתוך קבוצת הקוורקים הולידו את הכרומודינמיקה הקוונטית וניבאו את קיומם של חלקיקים חדשים; סימטריות הלפטונים סיפקו את הכוח האלקטרוחלש המאוחד של ויינברג, סלאם וגלשו; וחיבור שלושה סוגים של סימטריה יצר את המודל התקני המלא. לכן, על רקע הצלחותיו הגדולות של רעיון הסימטריה בטבע, החלו כמה פיסיקאים לתהות שמא אפשר להרחיב את הרעיון הזה הלאה. במיוחד, האם אפשר להגדיל את הסימטריה של המודל התקני כך שתיצור קשר ישיר בין חלקיקים נוספים, ולפיכך תנבא את קיומם של חלקיקים “חדשים”?

ראו את שלוש ההקבצות הבאות:

קוורקים לפטונים

בוזונים

הפיסיקאים שקלו שני כיוונים להרחבת המודל התקני. גישה אחת מנסה למצוא סימטריה שתכנס יחדיו את הקוורקים עם הלפטונים; האחרת מבקשת סימטריה שתקשר את כל הפרמיונים – קוורקים ולפטונים – עם הבוזונים.

ב־1974 כתבו עבדוס סלאם ועמיתו ג’וֹגֶש פָּטִי מאמר שטען כי אפשר להרחיב את מטען הצבע של הקוורקים לארבעה צבעים, במקום שלושה כמקובל, וכי הצבע הרביעי יאפשר את הכללת הלפטונים במודל הקוורקים. באותה עת בערך החלו שלדון גלשו והווארד ג’ורג’י בהרווארד לחפש חבורת כיול של סימטריית יאנג־מילס שתאפשר להם לאחד מתימטית את כל הקוורקים והלפטונים במודל אחד. השניים מצאו חבורת לי חדשה וגדולה, שמכילה את המודל התקני בתוכה, וגם מקשרת את הקוורקים והלפטונים בסימטריה יחידה. הפיסיקאים מכנים גישה מעין זו בשם תיאוריה מאוחדת גדולה. אבל אל תניחו למילה “גדולה” להוליך אתכם שולל – התיאוריה היא גדולה במובן מצומצם למדי: היא מאחדת את הקוורקים עם הלפטונים. המודל של ג’ורג’י וגלשו היה התיאוריה המאוחדת הגדולה הראשונה.

השלכה חשובה של התיאוריות המאוחדות הגדולות היא אפשרות היהפכותם של קוורקים ללפטונים. במיוחד, מתיאוריה מסוג זה משתמע שהפרוטון יתפרק בבוא העת ללפטון (בעל מטען חשמלי חיובי ולפיכך, לפי חוק שימור המטען, עליו להיות אנטי־חלקיק). לפעולת הגומלין המסוימת הזאת יש השלכה קודרת על עתיד היקום: בהינתן זמן מספיק, כל החומר ההדרוני ביקום עתיד להיעלם! אם נכונה התיאוריה, אזי בעתיד הרחוק מאוד יתפרקו הפרוטונים, הגרעינים יתפוררו כתוצאה מכך, ובסופו של התהליך לא יישארו אטומים ביקום – רק אלקטרונים, פוזיטרונים ונייטרינים בודדים, מתעופפים להם במרחב ריק ההולך ומתפשט.

אבל התפרקות הפרוטון לא נצפתה מעולם בניסוי, אף שמדענים מחפשים אותה זה שנים רבות, בתצפיות במכלים גדולים של מים טהורים שנטמנו במעבה האדמה, השואפות לזהות בתוכם קרינה שאין לה שום הסבר אחר. מיזם סוּפּר־קַמיוֹקַנדֶה ביפן מנסה להתחקות אחר התפרקות פרוטונים, מלבד תנודות נייטרינים. מדענים העובדים במיזם דיווחו לא מזמן שאם אמנם יש ממש בהתפרקות הפרוטון, הרי שהיא אמורה להתרחש אחרי פרק זמן של 8.2 × 1033 שנה לפחות (האומדן הקודם היה 1032 שנה לפחות). כלומר, איננו צריכים לחשוש מפני התפרקות כזאת בעתיד הקרוב.

לפי שעה איננו יודעים אם הפרוטון עשוי להתפרק, כי הראיות לתהליך זה תיאורטיות בלבד, ותלויות במודל מתימטי שיש בו הנחות מיוחדות שלא הועמדו למבחן. הספקולציה בדבר אפשרות התפרקותו של הפרוטון, היציב מאוד למראית־עין, מרחפת בחלל האוויר זה שנים רבות. מוריס גולדהבר, שעמד בראש מעבדת ברוקהייבן ושקיווה לחזות בגילוי התפרקות פרוטונים בניסוי, אמר כבר לפני עשרים וחמש שנה: “מי ייתן והפרוטון יחיה לעד! אבל אם הוא בן־תמותה, מי ייתן והוא ימות בידי שלי…”

הדרך השנייה שבודקים פיסיקאים להרחבת המודל התקני היא השאיפה לחבוק את הבוזונים ואת הפרמיונים בחבורת סימטריה יחידה. רעיון זה נקרא על־סימטריה – מדובר בסימטריה גדולה מזו של המודל התקני, המכילה אותו כתת־חבורה. ראשי התיבות של על־סימטריה באנגלית הם SUSY, ולכן יש המכנים אותה “סוּזי”.

רעיון העל־סימטריה פותח בברית המועצות בשנות השבעים, אבל חלפו שנים רבות לפני שנודעה עבודתם של הרוסים במערב. ב־1971 החלו יורי גוֹלפַנד וייבגני ליכטמן בבנייתה של תיאוריית שדה על־סימטרית, וכעבור שנתיים מצא צמד אחר של פיסיקאים רוסים, דמיטרי ווֹלקוֹב וּולדימיר אָקוּלוֹב, שבירה תיאורטית ראשונה של על־סימטריה. בלי לדעת דבר על הרוסים (שגם לא ידעו דבר עליו), פיתח הפיסיקאי האיטלקי ברונו צוּמִינוֹ, כיום פרופסור אמריטוס באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, עם עמיתו האוסטרי יוליוס וֶס המנוח, את רעיון העל־סימטריה, בערך באותו זמן עצמו.

יוליוס וס למד באוניברסיטת וינה, שם השפיע עליו רבות ארווין שרדינגר. ברונו צומינו כבר היה פרופסור בעת שפגש לראשונה את וס, כשהיה הלה רק תלמיד מחקר. השניים החלו לעבוד יחד על סימטריות בפיסיקה, ובנו מודל של הטבע הנחשב אלגנטי במיוחד בעיני פיסיקאים רבים כיום. יש המכנים אותו “סוזי היפהפייה”.
באחת מהצלחותיה התיאורטיות הראשונות, יישבה סוזי את בעיית השוני הרב בין סדרי הגודל של ארבעת כוחות הטבע. כמתואר לעיל, לפי המודל התקני אין שלושת הכוחות שבהם הוא עוסק נפגשים בנקודה מדויקת אחת בעבר הרחוק, מיד אחרי המפץ הגדול; אבל תחת על־סימטריה הם מצליחים לעשות זאת. וייתכן אפילו שהכבידה, בחיוץ אל העבר הרחוק עוד יותר, אולי תתלכד אף היא עם שלושת הכוחות האחרים.

הואיל ושלושה מכוחות הטבע (ואולי ארבעה, לפי הנחות מסוימות) מתלכדים תחת על־סימטריה בראשית היקום, מציעה העל־סימטריה איחוד של הכוחות. בראייה זו, הכוחות פונים לדרכיהם הנפרדות רק אחרי שהיקום החל להצטנן, והסימטריות המקוריות נשברו ספונטנית; אבל אם נשתמש במודל סוזי, נוכל לראות שפעם התקיימה סימטריה רבתי. האיחוד הזה בראשית הזמן, שאחריו באו שבירות סימטריה, מעניק למודל אלגנטיות מרובה כתיאוריה המקשרת יחדיו את כל הכוחות, בערך בזמן היווצרותם.
יתרון גדול אחר של העל־סימטריה הוא שתיאוריה זו מתנהגת יפה מאוד במישור התיאורטי. אין צורך לעשות בה עבודה רבה מאוד של רה־נורמליזציה, כלומר קל יותר לסלק ערכים אינסופיים מפתרונותיה, מאשר לעשות זאת במסגרת המודל התקני.
שבועיים לפני מותו ב־2007 דיבר יוליוס וס בכנס על על־סימטריה, SUSY07, שנערך באותה שנה באוניברסיטת קרלסרוּהֶה בגרמניה. הוא תלה תקוות רבות בכניסתו של מה”ג לפעולה, שהייתה אמורה אז להתחיל ב־2008. למרבה הצער, וס לא זכה לראות האם יאמת מה”ג את התיאוריה שלו ושל צומינו. בהרצאתו בכנס הדגיש וס את רעיון הסימטריה והסביר כיצד הוליך אותו ואת צומינו אל העל־סימטריה:

כל אחד מבחין בסימטריה, בדרך זו או אחרת. אני חושב שראוי להזכיר כי לפני שלושים שנה בערך, הייתה התעניינות מרובה בקופי־אדם, במטרה לראות כמה הם מסוגלים ללמוד. אחת המטרות הייתה לראות איך קופי־אדם ילמדו לצייר. באחד הניסויים האלה צוירה נקודה בצד אחד של גיליון נייר, ואז ניסתה חיית הניסוי לצייר נקודה בצד השני כדי ליצור איזון סימטרי. זהו בדיוק מה שאנחנו עושים בפיסיקה.

הרעיון שביסוד “סוזי” הוא שלכל בוזון יש פרמיון שותף – עוד נקודה שצוירה סימטרית בצד השני של הגיליון, כביכול. ובאותה המידה, לכל פרמיון יש בוזון שותף. אלה נקראים על־שותפים. אך מכיוון שמספרי הפרמיונים והבוזונים אינם שווים, יש צורך “להמציא” עוד חלקיקים ולהוסיפם למודל, כדי להביא להתאמה מלאה בין שתי הקבוצות. אחדים מהחלקיקים שטרם זוהו הנחוצים למודל זה הם מועמדים מעולים לתפקיד החומר האפל.

לבוזוני הכיול של המודל התקני יש פרמיונים שותפים בעולם העל־סימטרי. אלה נקראים במשותף “גֵייגִ’ינוֹס” [“כיולינים”]. לדוגמה, לגלואון יש על־שותף בשם גלוּאִינוֹ; העל־שותף של בוזון W הוא וִינוֹ. הצַ’רגִ’ינוֹ [“מטענינו”] הוא חלקיק טעון שהוא תערובת קוונטית של חלקיקים; והנייטרלינו הוא חלקיק נייטרלי שגם הוא תערובת קוונטית. כפי שראינו בדיוננו בנייטרינו, הסיומת “־אינו” היא צורת הקטנה באיטלקית (טלפון סלולרי נקרא באיטלקית טלפונינו), ודומה שזהו המקור לשיטה זו של מתן שמות – אולי כהרחבת רעיונו של פרמי, שנתן לנייטרינו את שמו. וכפי שהייתם יכולים לנחש, העל־שותף של ההיגס הוא ההיגסינו.

על־שותפים אחרים מקבלים שמות המתחילים באות ס’: יש סלפטונים ויש סקוורקים – אלה הם העל־שותפים של הלפטונים והקוורקים של המודל התקני. ביתר פירוט, העל־שותף של הקוורק התחתון [בוטום] הוא הסבּוֹטוֹם; העל־שותף של הקוורק העליון [טופּ] הוא הסטופּ; ובמגזר הסלפטונים, ישנו למשל הסטאואון. לפי אחת התיאוריות, הקוורקים והגלואינים הם אולי החלקיקים העל־שותפים (סחלקיקים) הכבדים ביותר.
במשפחת המודלים המבוססים על “סוזי”, אחדים מחבריה קרובים יותר למודל התקני, ואילו אחרים מבין חבריה מפורטים יותר, ולפיכך רחוקים ממנו יותר. המודל העל־סימטרי הדומה יותר מכול למודל התקני של פיסיקת החלקיקים נקרא המודל התקני העל־סימטרי המזערי, ובראשי תיבות MSSM. זהו מבנה תיאורטי רב־עוצמה בפיסיקה המודרנית, ורבים הם המאמינים בו והעוסקים בפיתוחו. מגבלתו היא הסיכוי הדל הנשקף ממנו להסברת חלק ניכר מהחומר החסר של היקום. מודל אחר נקרא NMSSM – המודל התקני העל־סימטרי שאחרי המזערי. שני אלה הם הרחבות מינימליסטיות למדי של המודל התקני, ושניהם כוללים מועמדים לתפקידי חלקיקים חדשים, שאולי יאומתו בהתנגשויות מה”ג. אבל המודלים העל־סימטריים המסובכים יותר זקוקים לרמות אנרגיה הרבה יותר גבוהות של אלומות החלקיקים, כדי לאפשר צפייה בתופעות שהם מנבאים, ולכן מעטים יותר סיכויי התיאוריות האלה לקבל אימות ממה”ג. וברמות אנרגיה גבוהות עוד יותר אנו מוצאים את המודלים של תורת המיתרים, שיתוארו בפרק 12.

בעיית החומר האפל מעיקה קשות על הפיסיקאים, ואין פלא אפוא שעם פתיחת ניסויי מה”ג, הלהיטות לגלות את מקור החומר האפל אינה נופלת מהלהיטות לגלות את חלקיק היגס. הואיל והשותפים העל־סימטריים – גם לכשיתגלו – אינם צפויים להוסיף על המסה המצרפית של כל החלקיקים המוכרים למודל התקני את הכמות הדרושה להשלמת החסר במלואו, נמצאו מדענים שהגו תיאוריות מופלגות עוד יותר.

בכמה כנסים מדעיים ברמה גבוהה מאוד שנערכו ערב פתיחתו של מה”ג הציגו פיסיקאים הפועלים בחוד החנית של פיסיקת החלקיקים דרכים שבהן תוכל העל־סימטריה לקבל את אימותה באמצעות המאיץ הגדול להתנגשויות הדרונים. להלן אתאר במידת־מה של פירוט את התיאוריות שהוצגו בכנסים אלה, רק כדי לתת לכם מושג על טיבו של המחקר המתקדם ביותר בפיסיקת החלקיקים התיאורטית ועל עושר עבודתם של בכירי החוקרים.
הגרָוויטון הוא הבוזון המשוער המתווך בפעולתו של כוח הכבידה. הוא לא נראה מעולם בתצפית. אם הגרוויטון קיים, אזי צריך להיות לו לפי התיאוריה ספּין 2. כזכור, לבוזוני W ו־Z, לפוטון ולגלואון ספּין 1, ואילו להיגס, אם הוא קיים, ספּין 0.
יש תיאוריה בשם על־כבידה, שהיא הרחבה של העל־סימטריה הכוללת את הכבידה. תיאוריה זו מנבאת את קיומו של הגרוויטינו: על־שותף של הגרוויטון, שהוא אנלוג של העל־שותפים של בוזוני המודל התקני W ו־Z. לפי הערכה מהזמן האחרון, ייתכן שהגרוויטינו הוא מועמד טוב לתפקיד החומר האפל. “אפשר שהגרוויטינו הוא מועמד טבעי לחומר אפל. אבל אין לנו מושג מה יכולה להיות המסה שלו,” אמר וילפריד בּוּכמילֶר מהמבורג, במצגת על על־סימטריה בכנס SUSY09 בבוסטון.

לדעת אחדים, מועמד מעולה אחר לתפקיד חלקיק החומר האפל במסגרתה של תיאוריית העל־סימטריה הוא הגלואינו. כזכור, חלקיק זה הוא האנלוג, בעולם העל־סימטריה, של הגלואון בעולמנו. לדעת הפיסיקאים, יהיה אפשר לזהות גלואינים לפי התפרקותם לסילונים הדרוניים ולסטאואונים.

ואילו לדברי רָמָן סוּנדרוּם מאוניברסיטת ג’ונס הופקינס, יש לטבע “מגזר אפל” עם “חלקיקים אפלים” משלו, לגמרי בנפרד מהשותפים העל־סימטריים המשתייכים במקובץ ל”מגזר סוזי” של המודל שלו, ומגזר זה, מצדו, נפרד לגמרי מ”מגזר המודל התקני”. יש “כוח אפל” שפועל ב”מגזר האפל”, והפוטונים של “המגזר האפל” הם “פוטונים אפלים”. ההיגיון שביסוד “המודל האפל” של סונדרום הוא מה שהוא מכנה בשם “תצפיות חומר אפל” – הפרשנות שהוא נותן לכמה דיווחים מדעיים מהזמן האחרון. “תצפיות” אלה הן תופעות בלתי־מוסברות שתועדו בלווייני מחקר, וסונדרום ממשיל אותן ל”תצפיות בעב”מים”, לא פחות ולא יותר…

מלבד כל המרכיבים האלה כולל המודל של סונדרום גם מרכיב מתורת המיתרים הקרוי רוּמִית (קיצור של המילה “קרומית”, ממברנה), שעליו תלויים המגזרים השונים. יש במודל שלו גם מגזר חבוי החי ברוּמית משלו, ומחובר אל שאר המודל באמצעות ממד חמישי (ממד גבוה) “מכורבל” של מרחב־זמן, שקיומו מתחייב מתורת המיתרים. הכבידה מתווכת בכל פעולות הגומלין בין המגזרים, משום שהחומר האפל מגלה את קיומו רק בהשפעותיו הכבידתיות. המודל של סונדרום כולל גם “מגזר היגס אפל”, המעניק מסה לפוטון האפל. המודל העל־סימטרי, המודל התקני והעל־כבידה מתווכים בין המגזר החבוי לבין המגזר האפל, הנפרדים זה מזה. אין צורך לומר שהמודל הזה קשה לעיכול, אפילו לאותם פיסיקאים שכבר הורגלו במודלים משונים מאוד של היקום. וכמובן, אין סיכוי למודל כה מסורבל ומסובך לעמוד במבחן האלגנטיות של איינשטיין; אבל יש בו כדי לתת לכם מושג על טיבם של המודלים של היקום שאחדים מהפיסיקאים הפועלים כיום מהרהרים בהם.

אינכם צריכים להסיק מכל האמור לעיל שהעל־סימטריה פותחה כדי לפתור את בעיית החומר האפל. העל־סימטריה היא הרחבה אלגנטית של רעיונות המודל התקני, שנגזרה – על־פי שיקולים תיאורטיים בלבד – על־ידי פיסיקאים מוכשרים שהתמסרו בלב ונפש לרעיון הסימטריה וניסו להרחיבו עוד ועוד. אבל רצה המקרה, והעל־סימטריה מחייבת את קיומם של סוגי חלקיקים רבים מכל מה שידוע לנו כיום, ולכן גלומה בה הבטחה לפתרון בעיית החומר האפל. ועוד גלומה בה התקווה עזת־הפיתוי לאיחוד כוחות הטבע ברמת האנרגיה הגבוהה מאוד שאפיינה את פרק הזמן שמיד אחרי המפץ הגדול, והיא אף מציעה, כבונוס, אפשרות נוחה יחסית לביצוע רה־נורמליזציה.

המודל הסבוך והמסובך של סונדרום עושה שימוש לא רק בעל־סימטריה, אלא גם ברעיונות מתורת המיתרים. במה שנוגע להתפתחות היסטורית, יש זיקה בין שתי התיאוריות הללו, תורת המיתרים והעל־סימטריה: למען האמת, העל־סימטריה שאבה את השראתה מהרעיונות הראשונים שהועלו בחקר המיתרים. גם העל־כבידה – המודל העל־סימטרי הכולל את הכבידה – וגם תורת המיתרים שואפות למזג את תורת היחסות הכללית של איינשטיין עם תיאוריית השדה הקוונטית.

בעשרים השנים האחרונות, תורת המיתרים נעשתה אחת התיאוריות החשובות ביותר בפיסיקה, משום שהיא נחשבת לאלגנטית ויש לה עוצמת איחוד תיאורטית מרובה, ושני ההיבטים האלה משכו אליה פיסיקאים צעירים ומבריקים בהמוניהם. נדון עכשיו בתיאוריה זו.