מדע / בפעם הראשונה הצליחו מדענים ליצור אטומי אנטי-חומר שתכונותיהם ניתנות למדידה
אוריאל בריזון
לפני כשבועיים הכריזו מדענים במכון האירופי למחקר גרעיני CERN כי הצליחו לראשונה לבחון את תכונותיהם של אטומי אנטי-חומר. בניסוי, שנעשה על ידי קבוצה רב-לאומית של מדענים מובילים המכונה, ATRAP חוברו חלקיקי אנטי-פרוטון עם חלקיקי פוזיטרון (אנטי-אלקטרון) כדי ליצור אטומים אקזוטיים של “אנטי-מימן”.
בשנת 1928 ניסח הפיסיקאי הבריטי פול דיראק (Dirac) תיאוריה, המתארת את תנועתם של אלקטרונים בשדות חשמליים ומגנטיים. דיראק הצליח לפתח משוואות המשלבות בין מכניקת הקוונטים לבין תיאוריית היחסות הפרטית של איינשטיין, ובעשותו כך פרץ את הדרך למחקרים רבים בתיאוריה של האטום. בשנת 1933 הוענק לו על כך פרס נובל בפיסיקה.
אחת ההשלכות הלא צפויות של משוואותיו של דיראק היתה שהן חזו, ואפילו חייבו, את קיומם של חלקיקים מסוג חדש. על פי דיראק, החלקיקים הללו חייבים להיות דומים לאלקטרונים בתכונותיהם אך הפוכים מהם במטענם החשמלי. חלקיקים אלה, שזכו לכינוי “פוזיטרונים” בשל מטענם החיובי, היו תופעת לוואי של משוואה מתמטית, אך היוו רמז ראשון לקיומו של חומר מסוג חדש.
בעקבות התיאוריה של דיראק נרתמה קהילת הפיסיקאים הניסיוניים לחיפוש אחר החלקיק המוזר. בשנת 1932 הצליח הפיסיקאי האמריקאי קארל אנדרסון לצלם את עקבותיו של פוזיטרון במכשיר מדידה מיוחד, המכונה “תא ערפל”. קיומו של החלקיק החדש הוכח ולאנדרסון הוענק ב-1936 פרס נובל על הגילוי.
עד מהרה התברר כי ניבוייו של דיראק בנוגע לאלקטרון נכונים גם בעבור שאר החלקיקים היסודיים, וכי לכל אחד מהם קיים אנטי-חלקיק. על פי התיאוריה, אנטי-חלקיקים יכולים לחבור יחדיו וליצור חומר שיהיה דומה מאוד לחומר רגיל, פרט לעובדה שהוא הפוך ממנו בתכונותיו החשמליות. עד לגילוייהם של דיראק ואנדרסון שימש המושג חומר (Matter) כמושג המקיף את כל מה שקיים (פרט לאנרגיה, שגם היא, על פי איינשטיין, מצב חלופי לחומר). כאשר התברר כי קיים משהו אחר, דבר הדומה לחומר אך איננו חומר במובן הרגיל, צומצם המושג ונתבע הצירוף “אנטי-חומר” (Antimatter) – תמונת הראי של החומר.
כאשר אנטי-חומר בא במגע עם חומר רגיל השניים משמידים זה את זה ומשחררים כמות עצומה של אנרגיה. קילוגרם אחד של אנטי-חומר יכול להפיק די אנרגיה כדי להניע מכונית באופן רצוף במשך 100 אלף שנים. הרעיון לרתום את כוחו העצום של האנטי-חומר לשימוש האדם מפתה ביותר, בעיקר כאמצעי להנעת רכבי חלל. קבוצות חוקרים שונות, בין השאר בסוכנות החלל האמריקאית, נאס”א, עובדות זה זמן על תכנונו של מנוע חלל המבוסס על אנטי-חומר. שימושים במסגרות ארציות יותר נשקלים בזהירות רבה, היות שברור כי שחרור לא מבוקר של אנטי-חומר בסביבה המורכבת מחומר רגיל עלול לגרום לתאונות.
לאחר גילויו של האנטי-חומר התברר כי יש לו מקום חשוב בתיאוריות קוסמולוגיות על אודות היווצרות היקום. בשלבים הראשוניים של היווצרות היקום, סמוך למועד המפץ הגדול, התקיימו חומר ואנטי-חומר בכמויות גדולות. בשל התנאים המיוחדים ששררו ביקום הקדום התאפשר קיומם של השניים ללא השמדה הדדית. כיום אנו מוצאים סביבנו רק חומר רגיל. כדי לבחון אנטי-חומר, יש לייצרו בתנאי מעבדה מיוחדים.
בשל אופיו הייחודי ידוע האנטי-חומר כאובייקט בעייתי למחקר. אטומי אנטי-חומר “חמים” הנעים במהירויות גבוהות מיוצרים במעבדות זה זמן רב, אך בשל מהירותם לא ניתן היה לבחון את תכונותיהם לפני פגיעתם באטומים רגילים והיעלמותם המיידית בהתנגשות. בשנה שעברה דיווחה קבוצת ATRAP כי הצליחה לפתח שיטה חדשה לייצור אטומי אנטי-מימן. השיטה מבוססת על האטה של חלקיקי אנטי-פרוטון ואיחודם עם פוזיטרונים אטיים. כך מתאפשר ייצורם של אטומי אנטי-מימן שאינם נעים במהירות גבוהה וניתנים לחקירה. לפני כשבועיים דיווחה הקבוצה על ההצלחה הראשונה ביישום השיטה.
אחרי יצירתם של אטומי האנטי-מימן התאפשר לבצע בהם בדיקה ראשונית באמצעות הצבתם בשדה מגנטי. בשל המטען החשמלי של רכיבי האטום ניתן לגרום לפירוקם בשדה, ובצורה זו למדוד את תכונותיהם. פרופ’ ג’רלד גבריאלז (Gabrielse) מאוניברסיטת הרווארד, ראש הקבוצה, הסביר כי “זה כמו להציב את אטום האנטי-מימן ליד בטריה. האנטי-פרוטון בגרעין יימשך אל צדה האחד והפוזיטרון אל צדה השני”. עוצמת השדה הנדרשת כדי לפרק את גרעין האנטי-מימן מצביעה על חוזק הקשרים הפנימיים שלו ועשויה להצביע על הבדלים בינו לבין אטום מימן רגיל. בבחינה הראשונית לא נתגלו הבדלים כלשהם, אך החוקרים מדגישים כי כדי לגלות אם אכן קיימים הבדלים יש לבצע בדיקות נוספות.
השלב הבא הוא להביא את האטומים למצב המוגדר כיותר “נורמלי”. אף שהניסוי הצליח “לקרר” את אטומי האנטי-מימן ולהביאם למהירויות נמוכות, חלקיקי האנטי-פרוטון בגרעיניהם נמצאים עדיין במצב מעורר (Excited) ויש להביאם למצב פחות מעורר, הדומה יותר למצבם הטבעי של אטומי מימן רגילים. רק לאחר פעולה זו יהיה אפשר לבצע ניסוי ולערוך השוואות איכותיות בין מימן לאנטי-מימן. ההערכה הרווחת בין המדענים היא, שתוצאותיה של ההשוואה יבהירו, שתכונותיהם (פרט למטען) שקולות לחלוטין. אם יתברר שיש ביניהם הבדל כלשהו, זו תהיה, לדברי גבריאלז, “התגלית הגדולה ביותר בפיסיקה זה עשורים רבים”.
ההשערה שאנטי-חומר היה קיים ביקום הקדום גרמה לפיסיקאים לתהות, אם היקום היה יכול להיווצר מאנטי-חומר בדיוק באותו אופן שבו נוצר מהחומר הרגיל. הבדלים בין חומר לאנטי-חומר, אם יימצאו בעתיד, עשויים לסתור תיאוריות העוסקות בשאלה זו. התקדמות המחקר על אודות תכונותיו של האנטי-חומר יובילו גם, כך מקווים חוקרים, לניסויים עתידיים שיבדקו את אפשרויות השימוש בו למטרות מסחריות וכאמצעי הינע עתידי.
אף שמטרת המחקר הנוכחי היא מדעית טהורה ולא נצפו לו מראש שימושים מעשיים כלשהם, התברר כי הטכנולוגיה של הניסוי, כפי שקורה לעתים קרובות בניסויים מסוג זה, יכולה לשמש גם בתחומים שונים. כך, למשל, המגנטים העל-מוליכים המיוחדים, שנרשמו כפטנט על ידי הצוות, יוכלו לשמש בעתיד במערכות הדמיה רפואיות מתקדמות.
