פרופ’ יעל שדמי מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, מתמקדת בחקר החלקיקים היסודיים ובהם אלקטרונים, קווארקים, פוטונים וגלואונים, והאינטראקציות, או הכוחות, הפועלים ביניהם. היא מנסה לגלות חלקיקים ואינטראקציות יסודיים נוספים, מעבר לאלה המתוארים ב”מודל הסטנדרטי” של פיזיקת החלקיקים
מאילו חומרים, אבני בנין יסודיות, מורכב היקום? הפיזיקאים התיאורטיקאים שמתמודדים עם השאלה הזאת, משתמשים בכלים תיאורטיים ומתמטיים כדי לתאר מערכות פיזיקליות טבעיות ולנבא את התנהגותן. כך הם מנסים להסביר את המציאות הפיזיקלית – זו שנצפתה וזו שעדיין לא – ולספק ניבויים שניתן יהיה לבחון אותם בניסויים ותצפיות.
פרופ’ יעל שדמי מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, מתמקדת בחקר החלקיקים היסודיים – אבני הבניין של החומר (אשר אינם מורכבים מחלקיקים אחרים) – ובהם אלקטרונים, קווארקים, פוטונים וגלואונים, והאינטראקציות, או הכוחות, הפועלים ביניהם. היא מנסה לגלות חלקיקים ואינטראקציות יסודיים נוספים, מעבר לאלה המתוארים ב”מודל הסטנדרטי” של פיזיקת החלקיקים.
“המודל הסטנדרטי”, אומרת פרופ’ שדמי, “הוא שם לא מוצלח כיוון שמדובר בתאוריה סדורה, הנשענת על כמה עקרונות בסיסיים, ומתארת בדיוק מדהים את מכלול התופעות שאנו רואים ומודדים. תיאוריה זו מתארת כמעט את כל הכוחות המוכרים: הכוח החזק, הכוח החלש והכוח האלקטרומגנטי. אבל היא אינה מצליחה לתאר את הגרביטציה. החלקיקים היסודיים והאינטראקציות ביניהם מרכיבים את כל הסובב אותנו, אבל אנחנו יודעים שזה לא סוף הסיפור. כך למשל, אין שום חלקיק במודל הסטנדרטי שיכול להרכיב את החומר האפל ביקום. המודל הסטנדרטי מנבא שחלקיקי הנייטרינו הם חסרי מסה, אבל ניסויים הראו שיש להם מסות קטנות. אז סביר להניח שיש חלקיקים, אינטראקציות וצורות של חומרים שאנחנו עדיין לא מכירים. המטרה שלנו היא לחשוף אותם”.
אחד המקומות המרכזיים שבהם מחפשים חלקיקים חדשים הם מאיצי חלקיקים. שתי אלומות של חלקיקים, פרוטונים למשל, מואצות לאנרגיות גבוהות ומכוונות כך שיתנגשו – חזיתית – זו בזו. בהתנגשות יכולים להווצר חלקיקים מכל הסוגים, ובלבד שהאנרגיה, התנע והמטען הכללי נשמר לפני ואחרי ההתנגשות. סביב אזור ההתנגשות ממוקמים גלאים מתקדמים. ברוב המקרים, החלקיקים המעניינים שנוצרים מתקיימים רק שבריר שנייה, ודועכים לחלקיקים מוכרים כמו אלקטרונים, מיואונים, פוטונים פיונים ועוד. חלקיקים אלה משאירים עקבות אופייניים בגלאי, וכך אפשר לזהות אילו חלקיקים נוצרו בהתנגשות.
במחקרם האחרון, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, ביקשו פרופ’ שדמי וצוותה לבחון אינטראקציות חדשות ולא מוכרות של החלקיק היגס וחלקיקים יסודיים נוספים. חלקיק ההיגס הוא מקור המסה של כל החלקיקים היסודיים והוא התגלה ב-2012 ב-LHC – מאיץ החלקיקים הגדול בעולם אשר נמצא בתשלובת האירופית לחקר פיזיקת החלקיקים, על גבול שווייץ-צרפת.
“גילוי ההיגס הוא אולי הגילוי המשמעותי ביותר בפיזיקה של 50 השנה האחרונות”, אומרת פרופ’ שדמי, “מצד אחד, מדובר בעוד הצלחה של המודל הסטנדרטי, המנבא את קיומו של ההיגס. מצד שני, זה החלקיק היסודי הראשון מסוגו שאנחנו מכירים. אין עוד חלקיק יסודי בעל ספין אפס (אם הוא אכן יסודי). ככזה, הוא מציב שאלות תאורטיות חדשות וגדולות. צריך להבין שהגילוי של חלקיק כזה הוא רק ההתחלה. אנחנו עדיין בתהליך של הבנה ומדידה של כל התכונות שלו. והאינטראקציות שלו, בייחוד עם החלקיקים היסודיים הכבדים ביותר (כגון הקווארק ‘טופ’), הן המעניינות ביותר מבחינתנו. ככל שהחלקיק יותר כבד, האינטראקציה שלו עם חלקיק ההיגס חזקה יותר. אם רוצים להבין כיצד נוצרת המסה של החלקיקים היסודיים – ובהם ההיגס עצמו –צריך לבחון את החלקיקים הכבדים ביותר”.
כדי לגלות אינטראקציות חדשות ולא מוכרות של חלקיק ההיגס וחלקיקים יסודיים נוספים, פיתחו החוקרים בקבוצתה של פרופ’ שדמי, כלים תיאורטיים חדשים לחישוב תהליכים פיזיקליים. השיטות הקיימות בתחום זה, מתבססות על דיאגרמות פיינמן, שיש בהן סיבוך מובנה, כיוון שהחישוב מתבסס לא על חלקיקים, אלא על שדות, ובתיאור הזה יש יתירות(redundancy) רבה. “המטרה שלנו”, אומרת פרופ’ שדמי, “היא לגשת לבעיה באופן הכללי ביותר, בלי הנחות תאורטיות חדשות. לשם כך, פיתחנו גישה דרך מה שנקרא ‘אמפליטודות’ שבה אנחנו עובדים רק עם דרגות החופש הפיזיקליות: החלקיקים עצמם. כך אנחנו מקווים למפות את כל האפשרויות לתאוריות המשלימות את החלקים החסרים בהבנה של חלקיק ההיגס”.
בהמשך יוכלו פיזיקאים ניסיונאים לבחון תופעות ותוצאות שונות במאיץ החלקיקים. “באמצעות הכלים התיאורטיים שפיתחנו”, אומרת פרופ’ שדמי, “אנחנו בוחנים סט של חלקיקים ותרים אחר כל האינטראקציות האפשריות ביניהם, מעבר לאלו המוכרות. זהו למעשה שלב תיאורטי שבו אנחנו מנתחים את התהליכים הפיזיקליים שיכולים להתרחש במאיץ – ובשלב הבא נמדוד אותם בניסויים. כך ייתכן שנוכל לגלות אינטראקציות יסודיות חדשות, כגון התנגשויות בין חלקיקים ואת החלקיקים וכמות האנרגיה שנוצרים מהן. עם זאת, אנחנו לא מצפים לגלות הרבה אינטראקציות יסודיות חדשות. נהיה מרוצים גם אם תופיע אחת קטנטנה, שתחשוף מידע נוסף כלשהו על המבנה היסודי של החומר ביקום”.
החיים עצמם:
פרופ’ יעל שדמי, מתגוררת בחיפה, אליה עברה כשהתחילה לעבוד בטכניון. כיום היא חושבת שזו עיר נפלאה: יפה, מגוונת, מעניינת ומלאה בפינות מפתיעות. היא אוהבת טיולים, ספרים, מוזיקה ואמנות, אבל בפועל מחלקת כמעט את כל זמנה בין שתי האהבות הגדולות באמת שלה: הפיזיקה, ומשפחתה.
