מידע חדש מהמאיץ בסרן עשוי לשפוך אור על חידת האנטי חומר ביקום

במחקר שנעשה לאחרונה במאיץ בסרן, חוקרים ניתחו מקרוב את התהליך הדעיכה של המזון הניטרלי B לזוג המזונים הטעון K, במטרה לבחון האם תופעה זו עשויה להסביר את ההבדל העצום בתפוצת החומר לעומת האנטי חומר ביקום

מידע חדש על התפרקות המזון הניטרלי B עשוי לשפוך אור על הא-סיטמריה בין החומר לאנטי חומר ביקום. אומנם מוקדם לדעת אם מאחורי המידע שהצטבר תתגלה פיזיקה חדשה, אין ספק שזוהי קפיצה גדולה ביכולת האנושית להבחין בהבדלים הקטנים בין החומר לאנטי חומר מאז שנות השישים.

אני בטוח שעל אנטי-חומר כבר שמעתם. לאילו שלא הספיקו לקרוא בעיתונות המדעית נזכיר – לכל חלקיק בטבע קיים חלקיק “מראה”, הזהה בתכונותיו מלבד המטענים אותם הוא נושא. הפוזיטרון, הלא הוא האנטי- חלקיק של האלקטרון נחשב לדוגמא מצוינת לכך. מלבד המטען החשמלי ההפוך, לאלקטרון ולפוזיטרון מסה, רדיוס וספין זהים לחלוטין. בכלל לא מדובר בחלקיק אקזוטי, בלי ציוד משוכלל כולנו יכולים למדוד אותו. הפוזיטרון מופיע בהתפרקויות רדיו-אקטיביות רבות. למען האמת הוא נפלט בזה הרגע בכמות מזערית מהבננה שיושבת על קערת המטבח בביתכם. אם אכן מדובר בחלקיקים זהים לחלוטין לאלו שסביבנו, מה כל כך מיוחד בהם? למה אנחנו לא רואים אנטי-חומר? הסיבה לכך נובעת מהאינטראקציה שבין החומר לאנטי-חומר. כשאלו באים במגע, הם עוברים תהליך אינהלציה, כלומר מומרים לחלקיקים נושאי אנרגיה, כמו אור. הניצולת האנרגטית בתהליך הזה הוא מאה אחוז, גבוה יותר מכל בעירה, ביקוע או היתוך גרעיני.

האנטי-חומר תואר לראשונה על ידי פאול דיראק מחלוצי תורת הקוונטים בשנת 1928. תחילה מדענים התייחסו לאנטי-חומר כאל פיקציה מתמטית אך התגלית לא איחרה לבוא ובשנת 1932 קארל אנדרסון גילה את הפוזיטרון דרך קרינת הרקע הקוסמית שפוזרה על אטמוספירת כדור הארץ. בעשורים הבאים, פיזיקאים יגלו עוד אנטי חלקיקים רבים, ויראו שלכל חלקיק בטבע קיים גם חלקיק מראה.

אחד החוקרים, לארס אקלונד, פרופ’ לפיזיקת חלקיקים באוניברסיטת גלזגו, מסביר כי “עד כה, אין לנו שום הסבר מדוע החומר נצפה בשפע ביקום. איך עדיין ל התגלו בחלל כוכבים העשויים מאנטי חומר? על בסיס המודל הסטנדרטי אין שום סיבה להאמין שכמות החומר שנוצרה ביקום גדולה מהאנטי חומר. אם לא היה הבדל בראשיתי, בפרק זמן לא ממושך כל החומר ביקום היה נעלם בתהליך אינהלציה. אם כך, מדוע קיים בכלל חומר? שאלות אלה מסקרנות מדענים רבים ברחבי העולם, ומידי פעם מועלות השערות ותאוריות לשבירת הסימטריה בניהם. הדבר היחיד שבטוח הוא שהפתרון חייב להגיע מפיזיקה חדשה.”

“בעיות אלו לא חלפו מעל ראשם של המדענים במאיץ הגדול בסרן ולאחרונה דווח שניסוי LHCb נחשפה תגלית שעשויה לאמת מגנון שיעדיף יצירת חומר על פני אנטי-חומר.”

א-סיטמריה בטבע

ההתנהגות של הקווארקים והלפטונים, החלקיקים המרכיבים את החומר הנצפה ביקום, מלמדת אותנו על ההבדל בין החומר לאנטי חומר. קווארקים מחולקים ל”טעמים” שונים (שם לא טוב, אבל כולנו משתמשים במוסכמות היסטוריות. אין קשר לטעם כפי שכולנו חווים בחיי היומיום. זהו רק שם המבדיל בין קווארקים בעלי מסה דומה) כמו מעלה, מטה, מוזר, קסום, תחתון ועליון. הקווארקים מעלה ומטה בונים את כל היסודות בטבלה המחזורית ושאר הקווארקים מתגלים במאיצים אך אינם יציבים. חלקיקים הנוצרים מקשירת קווארק ואנטי קווארק (האנטי חלקיק של הקווארק) נקראים מזונים (בעברית, חלקיקים קלים).

בשנות ה-60, חלקיקאים צפו בתכונה מעניינת שהופיעה בארבעה מזונים נייטרלים שונים
 (B⁰_S, B⁰, D⁰ , K⁰). הקווארקים המרכיבים אותם שינו את טבעם והוחלפו בחלקיקי המראה. התהליך הספונטני דועך בסופו של דבר משום שמרבית המזונים אינם יציבים. כשהחוקרים התבוננו מקרוב, הם הבחינו שהתהליך הספונטני מתרחש יותר פעמים עבור המזונים מאשר האנטי-מזונים. מבחינת הפיזיקאים מדובר היה ברגע מרגש – סוף סוף הם נתקלו בהזדמנות לבחון לעומק את שבירת הסימטריה.

פיזיקה חדשה?

במחקר שנעשה לאחרונה במאיץ בסרן, חוקרים ניתחו מקרוב את התהליך הדעיכה של המזון הניטרלי B לזוג המזונים הטעון K. המזון B נוצר ממפגש עוצמתי של פרוטונים במאיץ ורגעים לפני ההתפרקות הוא מבצע אוסילציות בינו לבין חלקיק המראה – האנטי מזון B. באופן דומה ההתנגשות יוצרת גם אנטי מזונים מסוג B וגם הם מתנודדים בינם לבין המזונים B  עד להתפרקות. מלבד ההבדל הידוע במחזוריות החלקיקים, החוקרים הראו לראשונה גם הבדלים בקצב הדעיכה של המזונים והאנטי מזונים למזון K. הניסויים החדשים אספו כמות מכובדת של מידע שתאפשר בעתיד לאמת או לשלול מודלים עדכניים. האקסיון הוא אחד מהמודלים הידועים בשוק והוא גם מפורסם בקרב ציידי החומר האפל, אבל גם אם הוא נכון, האסימטריה המזערית שהוא מחולל לא יכולה להסביר את ההבדל העצום בין החומר לאנטי חומר הנצפה ביקום. הניסוי בסרן מאפשר בפעם הראשונה לבחון מקרוב תאוריות חדשות וישנות כאחד. כולנו מקווים לגלות פיזיקה חדשה, אך עד כה התקוות היו גדולות יותר מהמסקנות.

עוד בנושא באתר הידען:

• האם אנטי חומר נופל למעלה או למטה? מדעני סרן ינסו לענות על השאלה
• לראשונה נצפתה א-סימטריה תלוית זמן בין חומר לאנטי חומר
• מנכ”ל Cern רולף הוייר: החלום שלי הוא שנמצא את החלקיק הראשון של החומר האפל. כתבה ראשונה בעקבות סיור במתקני Cern