מאיץ שמציעים לבנות ביפן יוכל אולי לפתור את התעלומות שמאיץ ההדרונים הגדול בג’נבה לא הצליח לפתור
גילוי בוזון היגס ב”מאיץ ההדרונים הגדול” (LHC) של הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN), הסמוך לז’נבה, ב-2012, היה אישוש מרהיב למודל הסטנדרטי של הפיזיקה – מסגרת תיאורטית המתארת את כל החלקיקים והכוחות הידועים עד כה בפיזיקה. חלקיק היגס, שקיומו נחזה לראשונה בשנות ה-60 של המאה ה-20, היה החלק החסר האחרון בתצרף. אבל מאז, הפיזיקאים תקועים. תקוותם של המדענים לגלות באמצעות ה-LHC חלקיקים “תואמי-על” (superpartners), שגילויים היה עוזר לפתור בעיות במודל הסטנדרטי הידועות זה זמן, נכזבה והחלקיקים האלה לא התגלו.
פיזיקאים מדברים כבר עשרות שנים על מאיץ שיוכל למצוא את החלקיקים הנעדרים האלה. לפני שלוש שנים סיים צוות בין־לאומי של פיזיקאים ומהנדסים את תכנונו. על פי התכנון, במאיץ המכונה “המאיץ הקווי הבין־לאומי” (ILC), מנהרה באורך 31 קילומטרים מתחת להרים שבאזור קיטַקַמי שבצפון יפן, יוטחו זה בזה אלקטרונים וחלקיקי האנטי-חומר שלהם, הפוזיטרונים. ההתנגשויות האלה יגרמו להתאיינות של חומר ואנטי-חומר שתשחרר אנרגיה בסדר גודל של 250 מיליארד אלקטרון וולט. (שדרוג שייעשה בו מאוחר יותר יכפיל את תפוקת האנרגיה של ה-ILC.) בעת כתיבת הטור הזה צפוי משרד החינוך התרבות והספורט של יפן (MEXT) להחליט אם להמשיך בפרויקט ה-ILC. אנחנו סבורים שכדאי.
במודל הסטנדרטי היה חור שבוזון היגס בעל מסה של 125 מיליארד אלקטרון וולט ממלא בדיוק. וזה אכן מה שגילו המדענים ב-LHC. המפנה בעלילה הוא שהפיזיקאים אינם יודעים להסביר מדוע זאת המסה שלו. (פיזיקאים בדרך כלל מודדים מסה של חלקיקים באלקטרון וולטים, שהם יחידות של אנרגיה, מפני שאנרגיה ומסה שקולות זו לזו.) ובעצם, הם יודעים כבר מתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20 שאפקטים קוונטיים וירטואליים אמורים לגרום לחלקיק היגס להיות מסיבי פי מיליונים או מיליארדים.
תאוריית הסופר-סימטריה, SUSY, מציעה פתרון. היא משערת קשר יסודי בין חלקיקי חומר, כמו קווארקים ולפטונים, ובין חלקיקים נושאי כוח כמו פוטונים, גלואונים וחלקיקי W ו-Z. היא חוזה גם שלל חלקיקים תואמים חדשים בעלי שמות מוזרים כמו סקווארקים (תואמי־על של קווארקים) וחלקיקי היגסינו (תואמי־על של בוזון היגס). החלקיקים התואמים האלה מגיבים עם החלקיקים של המודל הסטנדרטי באופן שמבטל את האפקטים הקוונטיים הווירטואליים, כך שמתקבלות המסות שהמודל הסטנדרטי חוזה ושנצפו ב-LHC.
הפיזיקאים קיוו למצוא את תואמי העל האלה כבר לפני לפני כ-25 שנה כשקודמו של של ה-LHC, מאיץ הפוזיטרונים הגדול של CERN, החל את פעולתו. הם לא מצאו. אבל כשתואמי העל לא הופיעו גם ב-LHC, הגדול והחזק בהרבה, כמה פיזיקאים נבהלו.
אבל יש תקווה. מחקרים תאורטיים מן הזמן האחרון רומזים שייתכן כי חלקיקי היגסינו כן נוצרים ב-LHC, אלא שהמדענים אינם מוצאים אותם בבליל החלקיקים שנפלטים בהתנגשויות בין פרוטונים ואנטי-פרוטונים המתרחשות בו.
בתחום הזה אמור ה-ILC להצטיין. ההתנגשויות בו נעשות באנרגיה נמוכה במידה ניכרת מאשר ב-LHC, אבל היתרון הגדול שלו הוא שלא כמו בבן דודו האירופי, יתנגשו בו אלקטרונים עם פוזיטרונים. בשונה מפרוטונים ואנטי-פרוטונים, המורכבים מחלקיקים ומאנטי-חלקיקים יסודיים, קווארקים ואנטי-קווארקים, אלקטרונים ופוזיטרונים הם חלקיקים יסודיים בעצמם. ההתנגשויות שלהם נקיות הרבה יותר, ולכן, חלקיקי היגסינו שיופיעו בעקבותיהם יהיו קלים יותר לזיהוי.
עלות בנייתו של ה-ILC תהיה לפחות 10 מיליארד דולר, בערך כפליים מעלות בנייתו של ה-LHC. אין ספק שזה מחיר גבוה למדינה כלשהי לבדה. שיתוף פעולה בין־לאומי הוא אפוא הכרחי. וזה גם ישתלם.
לפי התיאוריה, ה-ILC אמור לייצר חלקיקי היגסינו, סְלפטונים (תואמי־על של לפטונים) ותואמי־על אחרים בשפע. אם כך יהיה, ה-ILC יוכל לאשש את הסופר-סימטריה ולאמת את מודל החלקיקים התת־אטומיים שהפיזיקאים חושדים בנכונותו הוודאית זה זמן רב. מאחר שחלקיקי היגיסינו הם אולי חלק מן החומר האפל המצוי בכל היקום, הם יכולים גם לעזור בפתרון אחת התעלומות הבלתי פתורות של האסטרופיזיקה. ואם עדיין לא יתגלו בו תואמי־על, גם אז יתקדם המדע, שכן התאורטיקנים של האנרגיות הגבוהות יאלצו לרכז את מאמציהם בתיאוריות אחרות. כך או כך, התובנות שנפיק יכולות להעמיק את הבנתנו את חוקי הטבע, ואת השלכותיהם על מקור היקום והתפתחותו.
14 תגובות
“להציל את הפיזיקה”… כאילו שללא ההצלה הפיזיקה תלך לאיבוד… איזה כותרת מקושקשת. הכל, רק בשביל לעבוד על הקורא כדי שיקליק על הכתבה והעורך יוכל להגיד “120 אלף כניסות בחודש”…
אגב, את הפיזיקה לא ניתן להציל או להשמיד. ניתן רק לגלות את החוקיות שבה ( לכל ה”פיזיקאים” שמקשקשים ).
חיים פ,
אין צורך לשים לאף אחד מילים בפה. אתה כתבת בתגובתך שיש טענה במאמר או בכותרת ש”משהו הולך להפריך את הפיזיקה”, קיבלת הסבר די מפורט לכך שזה לא נאמר, ולמה כן הייתה הכוונה. הביטוי “להציל את הפיזיקה” הוא קומי ומאניש את הפיזיקה (הרי אין משמעות ל”הצלה” של תחום מדעי). גם אני וגם שמוליק הסבירו לך מה הכוונה – מה האיום או הצרה שהפיזיקה נמצאת בה כרגע ומדוע המאיץ החדש יכול לפתור או לשפר את המצב. אף אחד מאיתנו לא כתב שהכותרת מדויקת. היא אחרי הכל, כמו ששמוליק מנסה לומר, סתם התבטאות. הצורך שלך להתמקד בשלוש המילים האלה במקום במסר שבכתבה תמוה מאוד.
הגבתי כדי לחדד את הפואנטה של המאמר כי אתה נכנסת לנושא הפרכת הפיזיקה וזו לא היתה כוונת המאמר לחלוטין.
באשר לכותרת, נו…תזרום
שמוליק ואלבנטסו
אני מבין מדבריכם שהכותרת “להציל את הפיסיקה” – נכונה ומדוייקת.
חיים פ,
אני לא ראיתי בכתבה טענה שמשהו הולך “להפריך את הפיזיקה”, כדבריך. הכוונה ב”להציל את הפיזיקה” היא כפולה:
1. כפי שכתוב בכותרת המשנה (ומוסבר די בפירוט בכתבה עצמה), ישנו מספר גדול של בעיות בפיזיקה תיאורטית שנפתרות באופן פשוט, אלגנטי וקונסיסטנטי בעזרת סופרסימטריה. אם לא נצליח לגלות חלקיקים סופרסימטריים ונשתכנע שהם לא קיימים, ניוותר עם המון בעיות חסרות תשובה. מציאה של עדות לסופרסימטריה תהפוך את הפתרונות התיאורטיים הקיימים כיום לבעיות אלה, לפתרונות מעשיים.
2. כדי להתקדם בפיזיקה (או בכל תחום מדעי אחר), צריך רמזים אמפיריים – כלומר, תוצאות של ניסויים שידריכו את התיאורטיקנים לאיזה כיוון עליהם לחתור, מכיוון שמרחב האפשרויות התיאורטיות (ללא המגבלות המגיעות מניסוי) הוא אין סופי. ה-LHC היה אכזבה גדולה להרבה תיאורטיקנים מפני שהוא אישש תיאוריה אחת שעומדת בבסיס המודל הסטנדרטי, אבל לא נתן שום מידע מעבר. התיאוריה האחת הזו אמנם מאוד חשובה, מאוד יפה, וזיכתה את הוגיה בפרס נובל, אבל ה-LHC לא נתן שום רמז לאיזה פיזיקה קיימת מעבר למודל הסטנדרטי. במילים אחרות, אנחנו צריכים ניסוי שיפתח צוהר לדברים שאנחנו עדיין לא מבינים, ובזה ה-LHC נכשל (לא במובן של הפיזיקאים והמהנדסים שבנו אותו ועבדו בו נכשלו כי עשו עבודה גרועה, אלא במובן של לא הצליח לספק תוצאות).
בסה״כ כוונת הכותרת והמאמר היא שהפיזיקאים זקוקים לתוצאות ניסויים, שהמאיצים הנוכחים לא יכולים לתת, כדי להוליך את התיאוריות לכיוון הנכון. בניה של מפלצת כזו היא מאוד יקרה והפוליטיקאים בחומרתם הרבה מעדיפים לנתב את כספנו למקומות אחרים אלא שללא מאיצים נוספים ובפרט זה הלינארי, כנראה, לא נוכל להבקיע דרך. מכאן השימוש במילה ״הצלה״.
מה נעשיתם כבדים כל כך?
כותרת צהובה לבלוג מדעי. לא מתאימה הן לאתר הידען ובוודאי לא לסיינטיפיק אמריקן.
הפיסיקה היא בסך הכל מקצוע, ענף מדעי. היא לא תופרך כי אין מה להפריך. אפשר להפריך רק תאוריות פיסיקאליות.
הכותרת יכולה היתה להיות פחות בובמבסטית. “המאיץ שיכול להציל את (תאוריית) המודל הסטנדרטי”. אלא שאפילו אמירה זו תהיה בלתי מדויקת. ניסוי יכול להפריך תאורייה, אבל לא להצילה. מקסימום – לאשש אותה (לתמוך).
שמוליק,
לא טעית בכלל, זה סיכום די טוב של הנושא. המאיצים המעגליים מפיקים יותר קרינה (בגלל התאוצה המעגלית, כלומר האנרגיה שנדרשת לשנות את כיוון החלקיק המואץ ולא רק להגדיל את מהירותו) ולכן יכולים להגיע לאנרגיות הגבוהות ביותר רק כאשר מאיצים חלקיקים כבדים (עבורם איבוד האנרגיה לקרינה פחות משמעותי). כמובן שיש להם את היתרון שהאורך האפקטיבי שלהם גדול יותר כי ניתן להאיץ את החלקיק על פני הרבה סיבובים.
רציתי לשאול את אלבנטזו מדוע ה- LHC מעגלי לעומת המאיץ הלינארי שמתוכנן כעת והאם יש אפשרת ש ה- LHC ישתמש באלקטרונים במקום בפרוטונים. ערכתי חיפוש מקדים קצר בגוגל ומתברר שקיימת קרינת בלימה (עם השם הגרמני המפואר: ברמשטרלונג) הנפלטת כאשר חלקיק קורן מואץ. כשהחלקיק קורן, הוא מאבד מהירות וחייבים לפצות על איבוד המהירות לקרינה. אלקטרון מאבד מהירות הרבה יותר מהר מהפרוטון, מאחר והוא קל בהרבה ממנו. אלקטרון יקרון את כל מהירותו לפני שיסיים סיבוב אחד. זה אפשרי, ואף חובה, לפצות על איבוד המהירות בפרוטונים, אך באלקטרונים כמות האנרגיה הנדרשת תעלה יותר מדי כסף.
זה מסביר מדוע מאיץ האלקטרונים יהיה לינארי מדוע אין טעם ש ה- LHC יירה אלקטרונים.
אלבנטזו, טעיתי בגדול? ניסיתי לתמצת את הלינקים המצורפים.
http://physics.stackexchange.com/questions/112483/why-doesnt-the-lhc-accelerate-electrons
https://www.quora.com/Why-are-protons-rather-than-electrons-used-in-the-Large-Hadron-Collider
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung#/languages
א.בן נר,
לא כל הסופרפרטנרס הם בעלי זמן מחצית חיים קצר. בתיאוריה, ישנם גם חלקיקים סופרסימטריים יציבים, כמו למשל האח הפרמיוני של בוזוני הכיול (פוטינו, גרביטינו וכו’).
לא ברור איך החלקיקים הסופרסימטריים שזמן החיים שלהם כ”כ קצר, יכולים להוות את המסה האפלה שהאסטרונומים והקוסמולוגים מצפים למצוא.
משה,
כיצד ניתן לעשות זאת, לדעתך? במאיצים שאנו יודעים לבנות כיום יש קשר ישיר בין הגודל (אורך מסלול ההאצה, בין אם מדובר בהיקף של מאיץ מעגלי או האורך של מאיץ לינארי) לבין האנרגיה אליה ניתן להגיע, שזו המטרה של מאיץ: להגיע לאנרגיה הגבוהה ביותר האפשרית (באופן עקרוני, כמובן שלעיתים קיימות מטרות משנה כמו כמות הקרינה שמיוצרת, וכו’).
אם יש לך רעיון למאיץ שמגיע לאנרגיות גבוהות, מסדר הגודל שנחקר כיום (כלומר, סדר גודל של עשרה טרה אלקטרון וולט ומעלה) ושגודלו קטן, אנא חלוק רעיון זה עם הקהילה המדעית. אתה יכול להוציא פטנט קודם ולעשות הרבה כסף.
אני לא מבין מה פרוש שם המאמר “מאיץ החלקיקים שיכול להציל את הפיזיקה”?, הרי הפיזיקה כל הזמן עומדת בפני מבחן ההפרכה. השם המתאים יותר למאמר יכול להיות “מאיץ החלקיקים שיכול לשדרג את הפיזיקה”. זה מה שיקרה אם יתגלו חלקיקים נוספים לעולם החלקיקים. אין פה הצלה. יש פה שדרוג.
יהודה
אני לא כל כך מבין למה הם בונים את המאיצים כל-כך גדולים. לדעתי, אפשר להקטין אותם בצורה משמעותית ולקבל תוצאות לא פחות איכותיות (ואולי אף יותר).