בשנים האחרונות פיזיקאים מרחבי העולם דנים בבניית מאיץ מיואונים במקום מאיצים קונבנציונליים אחרים המבוססים על פרוטונים או אלקטרונים. למאיץ שכזה יתרונות ברורים בגילוי פיזיקה חדשה אך בנייתו מלווה באתגרים טכנולוגיים רבים. בכתבה זו אסקור את דבריו של פרופ׳ נימה ארקאני-חאמד מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון על הצורך בבניית מאיץ שכזה
פיזיקת החלקיקים נשענת ברובה על ניסויים ממאיצים המספקים הצצה ישירה לטבע באנרגיות גבוהות, או לחלופין, במרחקים קצרים. המאיץ המפורסם בסרן מאיץ פרוטונים, חלקיקים הטעונים חיובית המורכבים מקווארקים וגלואונים. מאיצים באים בעיקר בשתי צורות: מאיץ לינארי המשגר חלקיקים אל עבר מטרה במסלול ישר, או מאיץ מעגלי המשגר אלומות חלקיקים הנעות במסלול מחזורי ומנוגד עד להתנגשות. כמובן שפרוטונים אינם החלקיקים היחידים שניתן להאיץ. מאיצים פחות מוכרים מבוססים על אלקטרונים, יונים כבדים (יחסית), ופוזיטרונים. בשנים האחרונות הועלו מספר הצעות לבניית מאיץ מיואונים אך הדיון נותר ב״אש נמוכה״. לאחרונה, הדיון תפס תאוצה ובשבועות האחרונים הוחלט להקדיש כנס בנושא במכון המחקר על שם קבלי לפיזיקה תאורטית בסנטה ברברה. במסגרת האירוע, פרופ׳ נימה ארקאני-חאמד מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון, מהתאורטיקנים המפורסמים בקהילה, הציג את עמדתו על הצורך במאיץ שכזה. בכתבה זו אסקור חלקים מדבריו שהובאו במסגרת הכנס.
משום שהמיואון פחות מוכר לציבור הרחב, רצוי שנערוך לו חשיפה ראויה. נתחיל בפרטים כלליים:
המיואון הינו חלקיק אלמנטרי ממשפחת הלפטונים (החלקיקים הקלים). ממש כמו ״אחיו״ האלקטרון, המיואון בעל מטען חשמלי שלילי אך הוא כבד ממנו פי 200. במספרים, מסתו היא 105 מגה-אלקטרון וולט (ביחידות בהן מהירות האור מנורמלת לאחד) או ביחידות המוכרות, כמיליונית הטריליונית הטריליונית הגרם. המיואון הינו חלקיק לא יציב, כלומר הוא מתפרק לחלקיקים קלים יותר בזמן קצר יחסית. במנוחה, זמן מחצית החיים שלו היא כמיליונית השנייה ובתהליך הפירוק הוא נחלק לנייטרינו מיואוני ולבוזון W שבעצמו מתפרק לאלקטרון ולאנטי-נייטרינו אלקטרוני. יחד עם זאת, המיואון נפוץ מאוד בטבע. בכל רגע, עוברים דרכנו כ- 200 מיואונים לכל מטר רבוע.
על מאיץ מיואונים
אם זמן מחצית החיים היא מיליונית השנייה, איך ניתן להספיק להאיץ ולנפץ מיואונים במאיצים? זמן הוא יחסי, ולפי תורת היחסות הפרטית, פרק הזמן שחולף בגוף הנע במהירות הקרובה למהירות האור שונה מפרק הזמן שעובר בגוף הנמצא במנוחה. למעשה, כאשר חלקיקים מואצים למהירויות גבוהות, זמן הממוצע להתפרקות גדל משמעותית, מספיק בשביל שנוכל לערוך בהם ניסויים.
באילו מהירויות מדובר? בכ- 99.99999999 אחוז ממהירות האור. האנרגיה שתשתחרר מהתנגשות של מיואונים הנעים במהירות זו קרובה ל-10 טרה אלקטרון וולט. האנרגיה המשתחררת בעת ההתנגשות במאיץ בסרן היא כ- 14 טרה אלקטרון וולט, אם כך, מדוע המאיץ המיואונים טוב יותר? התשובה לשאלה זו חבויה בעובדה שהפרוטון אינו חלקיקי יסודי. האנרגיה המושקעת בהאצת פרוטונים מחולקת בין הקווארקים והגלואונים המרכיבים אותו. לפיכך, המאיץ בסרן בוחן את המודל הסטנדרטי בסקאלת אנרגיה של 1 טרה אלקטרון וולט (או בהקבלה לפיזיקה המתרחשת במרחקים של מיליארדית המיליארדית המטר). לעומתו, מאיץ מיואונים יוצר התנגשויות בין חלקיקים אלמנטריים, כך שכל האנרגיה מתורגמת להתנגשות יחידה. בעשור האחרון הועלו הצעות לבניית מאיץ פרוטונים גדול יותר, שעתיד להפיק אנרגיה של 100 טרה אלקטרון וולט מכל התנגשות. המאיץ המדובר אמור להיות עצום, כמאה קילומטר בהיקפו, ובפועל יאפשר מחקר בפיזיקה סביב 10 טרה אלקטרון וולט. לעומתו, מאיץ המיואונים אמור להיות קטן בהרבה (כ-10 קילומטר בהיקפו), מאחר והאנרגיה המושקעת להאצה נמוכה משמעותית ממאיץ פרוטונים. מאיץ מיואונים חוסך באנרגיה גם באופן עקיף משום שקרינת הסינכרוטרון הנפלטת מהאצת מיואונים קטנה משמעותית מזו שנפלטת מהאצת פרוטונים. כאשר הקרינה הזו נפלטת, האנרגיה שאיתה נושא החלקיק קטנה. לצערנו, זה תהליך שאינו זניח, אך עוד נראה בהמשך שהחיסרון הזה יהפוך ליתרון במאיצי מיואונים.
האם פיזיקת החלקיקים מתה?
מאיצים הם האמצעי הישיר ביותר לבחינת קיומם של חלקיקים בטבע. אומנם קיימות עדויות לא ישירות להימצאותם של חלקיקים היפותטיים כמו החומר האפל (חלקיק משוער שבא במגע עם חלקיקים ידועים רק באמצעות כוח הכבידה), אין חולק בכך שלא קיים תחליף למדידה ישירה של חלקיקים במעבדה. הקוראים ההדוקים שבניינו בוודאי תוהים לעצמם האם פיזיקת החלקיקים מתה? זו שאלה לגיטימית שכדאי שנשאל אותה! אחרי הכול, הגילוי המשמעותי האחרון היה לפני עשור, כאשר חלקיק ההיגס (ששוער לפני חמישים שנה) אותר בסרן והשלים את בניית המודל הסטנדרטי. מעבר לכך, ההבטחות להימצאותם של ממדים נוספים, ״סופר חלקיקים״ וחורים שחורים מקרוסקופיים לא מימשו את עצמם. כל ניסוי שבוצע בעשורים האחרונים אישש מחדש את המודל הסטנדרטי, ואם לא, הוא תפס מהר מידי את תשומת הלב של התקשורת הפופולארית משום שזמן קצר לאחר מכן, התגלה כאנומליה בניסוי שהתכנסה לתוצאה שתואמת את התאוריה.
לשאלה זו נימה משיב שלא, פיזיקת החלקיקים עוד לא מתה. הסיבה לכך היא שחלקיק ההיגס בעצמו מתאר פיזיקה חדשה, כזו שאנשים לא מספיק מעריכים. למעשה, העובדה שבעשור האחרון רק חלקיק ההיגס התגלה ולא מעבר לכך מהווה אתגר תאורטי בפני עצמו. זו הסיבה שיש צורך בבניית ניסויים נוספים כדי לאתר את התאוריה הנכונה לחלקיק ההיגס ותכונותיו. החלקיק, שהינו בוזון עם ספין אפס נחשב לחלקיק מיוחד, משום שאין כמוהו בטבע. הוא חלקיק כל כך פשוט שמלבד מסה, אין לו תכונות נוספות. הייחודיות שלו גם נובעת מהעובדה שהוא מעניק לחלקיקים האחרים את מסתם בזכות האינטראקציה שלו איתם. למעשה, השאלה מדוע חלקיקים כמו אלקטרונים וקארווקים מאסיביים מתורגמת לשאלה אחרת, והיא – מהו המקור למסת ההיגס? ומדוע ערכו נקבע כך?
מה לגבי החלקיקים שאינם מאסיביים, האם נוכל להסביר מדוע הם חסרי מסה? ובאופן כללי יותר, האם קיימים חלקיקים שאנחנו יודעים להסביר את מסתם מעקרונות יסודיים (שאינם נובעים מאינטראקציות עם חלקיקים אחרים)? התשובה לכך היא כן. אנחנו יכולים לענות למשל על השאלה מדוע הפוטון אינו רוכש מסה כאשר הוא בא במגע עם חלקיקים אחרים. הסיבה לכך מעט מורכבת והיא נובעת מהמבנה המתמטי שמתאר את הפוטון. למעשה, מספר דרגות החופש, כלומר מספר הכיוונים האפשריים שפוטון יכול להתנדנד ביחס לכיוון תנועתו מאלצים אותו להיות חסר מסה. לחלקיקים אלמנטריים אחרים, אין אילוצים דומים שיש לפוטון ולכן הם רוכשים מסה במגע עם חלקיקים אחרים.
משום כך, חלקיק ההיגס נחשב לייחודי, כי לפי המודל הסטנדרטי לא ניתן לגזור את מסתו ממקור אחר. למעשה, כדי לקבוע את מסתו אנחנו חייבים לערוך ניסויים במאיצים. עבור פיזיקאים תאורטיקניים, עובדה זו נחשבת לקטסטרופה. מבחינתם, אין ערך מספרי בטבע שלא ניתן לניבוי באמצעות חישובים. יש שיגידו בכוח, ויש שיגידו במקריות ואלגנטיות, פיזיקאים פיתחו מודלים שמתוכן ניתן לערוך חישובים ולקבוע במדויק את מסת ההיגס. מודלים אלו לצערנו לא חפים מתופעות לוואי. המודל הסופרסימטרי למשל מנבא את קיומם של עוד מספר רב של חלקיקים בטבע. אם אלו היו קיימים, כבר היינו אמורים לחזות בהם במאיצים, אך אלו לא נצפו מעולם. זו הפתעה תאורטית מעניינת, שמאלצת תאורטיקנים לחשוב יותר לעומק כדי למצוא את המקור האמיתי למסת ההיגס.
פתרון נוסף שחוקרים הציעו מניח שההיגס אינו חלקיק יסודי, אלא מורכב מחלקיקים יסודיים אחרים, כמו הפרוטון למשל. עד כה, הרזולוציה הניסיונית רומזת שחלקיק ההיגס הינו חלקיק אלמנטרי, אבל שאלה זו עדיין פתוחה. עד כמה נקודתי ההיגס? האם יש לו מבנה פנימי? לא בטוח אם נקבל תשובה חד משמעית לשאלה זו, אך מאיצים עתידיים יוכלו לשפר פי עשר את הערכתם. למרבה השמחה, כל תשובה מעניינת בפני עצמה ותאלץ אותנו להסיק מתוכה פיזיקה חדשה.
היתרונות בבניית מאיץ מיואונים
מהן יתרונותיו של מאיץ המיואונים בחקר ההיגס? תחילה, כפי שכבר הזכרתי מעלה, המיואונים הינם חלקיקים יסודיים, כך שכל האנרגיה המושקעת בהם מועברת ישירות להתנגשות יחידה, להבדיל ממאיץ פרוטונים שהאנרגיה מתחלקת בין רכיביו השונים. מעבר לכך, המיואון קורן קרינה אלקטרו-חלשה במהלך ההאצה. בסקאלת האנרגיה המדוברת, לא ניתן להבדיל בין הקרינה האלקטרומגנטית לקרינה החלשה הנפלטת מהאצת מיואונים. כאשר הקרינה האקטרו-חלשה מתנגשת אחת בשנייה, היא יוצרת בהסתברות גבוהה יחסית חלקיקי היגס. הערכות מדברות על עשרות מיליוני חלקיקי היגס בכל הרצה. מתוך התנגשויות אלו נוכל להסיק את גודלו של ההיגס בדיוק של אחוז בודד, לעומת מאיצים תאורטיים המבוססים על אלקטרונים ופוזיטרונים למשל, שיעריכו את גודלו של ההיגס בדיוק של עשרה אחוזים.
מה לגבי פיזיקה שאינה קשורה להיגס? האם חלקיקים חדשים יכולים להופיע במאיצים? ובכן, פיזיקאים למודי ניסיון וחוששים מלנבא את הימצאותם של חלקיקים חדשים, אך אי אפשר לומר שהם אינם מנסים. לעיתים נשמעות טענות שלא ניבאנו שום חלקיק בסקאלת אנרגיה הגבוהה פי 10 מזו שמופקת בסרן, אך טענה זו ניתנת להפרכה בקלות. מודל ה-wimp לחומר האפל הוא דוגמא לכך. המודלים הבסיסי שפותח עוד בשנות השמונים, חוזה את הימצאותם של חלקיקים אלו במאיצי פרוטונים שיגיעו לאנרגיות מסדר גודל של 100 טרה אלקטרון וולט.
האתגרים בבניית מאיץ מיואונים
ובכן, מהם האתגרים בבניית מאיץ מיואונים?
תחילה, ליצירת המיואונים, מאיצים חלקיקים טעונים שפוגעים במשטח גרפיט. ההתנגשות פולטת חלקיקי פאי המתפרקים במיידית למיואונים. בתהליך שכזה ניתן ליצור כטריליון מיואונים באנרגיה של 200 מגה אלקטרון וולט. הנפח שהם תופסים בחלל בעת השחרור מהגרפיט הוא בערך בגודל של בלון מנופח. השלב הבא הוא לצמצם את מידת פיזור המיואונים בחלל למיליקוב. כדי לעשות זאת, צריך לקרר את החלקיקים. השיטה הקונבנציונלית לקירור חלקיקים מתבססת על האטם בעזרת התנגשות עם משטחים מחומרים מיוחדים. לאחר מכן, מאיצים את המיואונים למהירויות הרצויות ומכוונים אותם למסלול התנגשות, וכל זה לפני שהם מתפרקים. זהו אתגר עצום שלא הודגם מעולם, האם זה מטורף? לדעתו של נימה, זה לגמרי אפשרי. מבחינתו, מדובר במאיץ חדש, המבוסס על טכנולוגיה חדשה שמעולם לא נוסתה וזו סיבה מספיק טובה לבנות את המאיץ, כי הוא לא יהיה רק ״אותו המאיץ אבל גדול יותר״.
יש לכם שאלה בפיזיקה או רעיון לנושא שכדאי שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת המייל – [email protected]
עוד בנושא באתר הידען:
3 תגובות
אחרון חביב – הולוגרפי – כי ניתן לתאר עולם ללא כבידה, שבו הכבידה נובעת בטבעיות ע”י מימד נוסף של מרחב-זמן.
במימד זה היקום הוא כמו הולוגרמה.
מאמר יהיה מעניין מאד מצידכם הידען על מה זה ADS, מה זה CFT, מה זה ADS CFT correspondence, ומהו יקום הולוגרפי ומיהו חואן מלדסנה. זה נושא יחסית צעיר, חם מאד, ומרתק, ומתימטית מורכב מאד.
הכתבה מעניינת מאוד. אפנה למאמר המדעי אם יש.
מתנצל אם לא דייקתי עד הסוף בהגדרות. נכתבו עליהן ספרים שלמים.
ADS CFT correspondence – שתי השקפות עולם שנותנות אותו תיאור עולם. היום אחד הנושאים הכי חמים במכניקה קוונטית משום שנותן דרך לחבר בין כבידה לתורת המיתרים.
ADS Anti-de-sitter space
CFT – conformal field theory תורה שנותנת אינווריאנטיות של גדלים וחוקים פיזיקליים תחת התמרה קונפורמית שזו הכללה של התמרה לינארית שמשמרת זויות של שריג המרחב זמן. היא מתאימה כנראה או אולי כי איינשטיין גזר בתורת היחסות הכללית את עיקום המרחב זמן שבו המרחב זמן מתעקם מתכונתי למסה.
בחור שחור קורה פלא שבו הזמן הופך לבעל אופי מרחבי – ניתן לראות עבר, הווה, עתיד בו זמנית. לכן הולוגרפי.
המרחב הופך לבעל אופי זמני כפי שמכירים בעולם מחוץ לאופק האירועים – רואים נקודות מרחביות עם סדר הופעה ביניהן.
הפיזיקאי חואן מלדסנה שנחשב ע”י סוסקינד כפיזיקאי התיאורטי הגדול בימינו גילה את ADS CFT correspondence. לא אתאר את העיקרון כאן – משאיר למאמר עתידי של הידען שתכתבו ע”י בעל מקצוע מיומן יותר בפיזיקה של תורת המיתרים.
גם ארקני חמד פירסם מאמר על תיאור הולוגרפי יחסותי של היקום. מן הסתם לקח את זה מהעיקרון הנ”ל.
נימה ארקני חאמד אירני ממוצא אזרי. מוביל בפיזיקה קוונטית היום גם ב ads cft correspondence, אותה גילה חואן מלסדנה. ארגנטינאי במקור שמלמד בפרינסטון. אבא של נימה ארקני חאמד היה פרופסור באוניברסיטה בטהרן ואמא שלו פרופסורית. לכל מי שמעז לזלזל במדע האירני. הוא כבר התפרסם בהדגמת העולם ההולוגרפי בחור שחור.
מרים מרכזני זוכת מדליית פילדס האישה הראשונה בעולם ז”ל. גם היא אירנית.
בדי אן איי של אדם קדמון בן 5000 שנה שנמצא בארץ ישראל הכי קרוב לו זה אירנים. אלו האבות הקדמונים שלנו. לצערינו שני העמים חכמים ואידיוטים בוזמנית.