מאיצי העתיד יהיו זעירים וישתמשו באנטי חומר

מדענים מצאו שיטה חדשה להאיץ אנטי-חומר למהירויות הדומות למאיצים של סרן אבל קטנים פי 1000 ממנו. השיטה החדשה תאפשר לחוקרים ברחבי העולם לבנות מאיצים במעבדות אקדמיות כדי לחקור את תכונותיו של בוזון ההיגס, החומר והאנרגיה האפלה או אפילו להעריך יכולות של מטוסים ומעבדי מחשב

חקר יסודות הפיזיקה בשנים האחרונות מאותגר כלכלית ופוליטית. תאוריות חדשות ומרחיקות לכת דורשות מהפיזיקאים להפיק ניסויים עוצמתיים יותר ויותר מבחינת אנרגיה, יכולות ועיבוד מידע כדי להוכיח את טענתם. אם במאה ה-19 הסתפקנו בלהביט דרך מיקרוסקופ כדי לראות את העולם הזעיר, במאה ה-20 וה-21 המדענים נעזרים במאיצים שמפרקים את החלקיקים בטבע בכדי להבין מאילו יסודות הם בנויים וכיצד הם מתנהגים. כדי שפיזיקת החלקיקים תוכל להתקדם נדרשים שיתופי פעולה בינלאומיים, תקציבים ממשלתיים רבים ומאמץ של עשרות שנים. המאיץ האנרגתי ביותר שנבנה כיום נמצא בסרן אבל הבנייה נמשכה כמה עשורים והעלויות הגיעו לעשרות מיליארדי דולרים.

חשוב לומר שבחירת החלקיק המואץ משפיעה על תוצאת הניסוי ולכן כל מאיץ בנוי בהתאם לשאלת המחקר. המאיץ הגדול בג’נבה (LHC) משתמש בפרוטונים מואצים למהירויות הקרובות מאוד למהירות האור. בעת ההתנגשות נוצרים שלל חלקיקים יסודיים ומתוך תמונה זו אנו יכולים ללמוד על התהליכים היסודיים בטבע והאינטרקציות הבסיסיות של החלקיקים עם עצמם. דוגמא למאיץ אחר הוא המאיץ באוניברסיטת סטנפורד שבארצות הברית (LCLS ) שמפיק מהאצה קרן לייזר ממוקדת מקרינת X לצרכי מחקר. בעיה נוספת מלבד כסף ותמיכה ממשלתית היא הגודל – המאיצים כיום עצומים מאוד, קילומטרים ברדיוס. ככל שהם גדולים יותר, כך עוצמתם גדלה. ולמרות זאת, על אף ההשקעה בבנייתם, תהליכים טבעיים כמו פגיעה של קרינה קוסמית באטמוספירה עולים בעוצמתם מכל מאיץ שאי פעם נבנה.

השאלה המתבקשת היא האם הציבור מוכן להמשיך לממן את מאיצי העתיד? ואם לא, האם קיימת טכנולוגיה זולה יותר שתאפשר “מסחור” של מאיצים רבי עוצמה במעבדות אקדמיות?

על כך בידיוק ענו החוקרים מלונדון. השיטה החדשה שהציעו משתמשת בפולסים אנרגתיים של לייזר על פוזיטרונים ובקרוב מאוד צפוי להתקיים ניסוי שיבדוק את הצעתם. אם שיטה זו תוכיח את עצמה, הטכנולוגיה עשויה לאפשר למאות מעבדות בעולם לערוך ניסויים עם אנטי חומר מואץ.

אנטי חומר זהה בתכונותיו של “החומר הרגיל” מלבד המטען החשמלי (גם כיראליות מתחלפת אבל לא נכנס לתחום זה במאמר). למשל, לאלקטרון (שנחשב כחומר רגיל ) קיים “בן זוג” שנקרא הפוזיטרון הזהה לו לגמרי מלבד שהוא בעל במטען החשמלי הפוך, כלומר בעל מטען חיובי. כשחומר ואנטי חומר נפגשים הם עוברים תהליך “אינהלציה”, או במילים אחרות נעלמים ובמקומם נוצרים פוטונים (חלקיקי אור). אנטי חומר נוצר בטבע בתהליכים רדיואקטביים אבל זמן החיים שלו קטן מאוד משום שמהר מאוד הוא מתנגש בחומר רגיל ונעלם כאור.

החוקרים מלונדון הראו שבתנאי בידוד אפשר להאיץ את הפוזיטרונים באמצעות לייזר רב עוצמה (שקיים במרבית מעבדות המחקר) למהירויות הזהות לאלו שבסרן אבל במאיץ כזה שגודלו לא עולה על כמה סנטימטרים. אחד החוקרים אמר: “בשיטה חדשנית זו נוכל להקטין באופן דרסטי את הגודל והעליות של מאיצי אנטי חומר. מאיצים שעלו מאות מיליוני דולרים יכולים כעת להיות במעבדות ברחבי העולם”.
“הטכנולוגיה שבמאיץ הגדול בסרן או במאיצים בסטנפורד לא עברו עדכונים משמעותיים מאז המצאתם בשנות החמישים. הם יקרים מאוד להרצה ובקרוב מאוד לא נוכל יותר להפיק מהם פיזיקה חדשה. דור חדש של מאיצים קומפקטיים, אנרגתיים וזולים המאיצים חלקיקים אקזוטיים יאפשרו לנו לחקור פיזיקה חדשה ויצרפו עוד מאות מעבדות למאמץ הכביר הזה”.

אומנם הטכנולוגיה רק בחיתוליה, אבל ד”ר סהיי, אחד מכותבי המאמר כבר בטוח שאב טיפוס יהיה בעוד מספר שנים. ד”ר סהיי מבסס את טענותיו על ניסויים מוצלחים שנעשו על אלקטרונים באמצעות אותה שיטה של פולסי לייזר. אם נפרט עליה מעט, השיטה משתמשת בלייזרים ובפלזמה (מצב צבירה רביעי שבו הגז מחומם מספיק כך שהאלקטרונים נקרעים מהאטומים והוא הופך לגז טעון חשמלית). הפלזמה יכולה ליצור פוזיטרונים ולייזרים מאיצים אותם לקרן ממוקדת של אנטי חומר. המאיץ הקטנטן באורך סנטימטרים בודדים (לא כולל לייזר באורך כמה מטרים) מאיץ עשרות מיליוני חלקיקים בעלי אנרגיה דומה בכל רגע ממש כמו המאיץ בסנפורד.

ניסויי הפצצה של אלקטרונים בפוזיטרונים עשויים לפתור כמה חידות משמעותיות מאוד בחקר הפיזיקה היסודית. למשל, נוכל ליצור כמות גדולה יותר של בוזוני היגס מהמאיץ בג’נבה ובכך לאפשר לפיזיקאים לחקור ביתר פירוט את תכונותיו של חלקיק זה. אולי בעתיד מאיצים שכאלה יענו על שאלה שמטרידה מאוד את הפיזיקאים – האם סופר סימטריה קיימת? סופר סימטריה טוענת שקיימת סימטריה בין חלקיקים בוזונים לפרמיונים, כלומר תאוריה זו מצפה לגלות סט חלקיקים נוסף הזהה לחלקיקים הרגילים בטבע אבל שהספין שלהם משתנה בחצי. כדוגמא לכך הפוטון בסט החלקיקים החדש יהיה חלקיק עם ספין חצי ולא ספין 1 ויקבל תכונות “פרמיוניות” ולא “בוזוניות”. לסופר סימטריה השלכות על תאוריות בטבע והוא עשוי לפתור בעיות ההיררכיה, בעיית החומר האפל ובעיות נוספות (שלא נכנס אליהם במאמר זה). עד כה לא נצפו חלקיקים משוערים אלו בשום מאיץ

למאיצי פוזיטרונים גם כמה השלכות מעשיות. מכשירים אלקטרוניים, מטוסים או להבים מכניים צריכים לעמוד בתקני ייצור ולהיות מדויקים בתפקוד ם ואיכותם. כדי לבחון אם יש פגמים בחומר, תעשיינים משתמשים בקרן אלקטרונים או בקרינת X. לעומתם, פוזיטרונים מושפעים אחרת מהחומר ומוסיפים מימד נוסף להתבוננות ובחינת טיב איכות.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• מאיצים את השלום
• CERN מחפשת טכנולוגיות ישראליות למאיץ חלקיקים חדש
• פרופ’ היגס בתשובה לשאלת אתר הידען: אני מאמין שכשהמאיץ יחזור לפעילות יהיו תגליות מעניינות