עתיד הפיסיקה

בניית המכונה שתיקח אותנו לממלכה זו, הטֶרה אלקטרון-וולט או תחום ה-TeV, מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) הטבעתי שבמעבדה האירופית לפיסיקת חלקיקים, CERN, מתקרבת כעת לסיומה

מאת גרהם פ' קולינס

איור, סיינטיפיק אמריקן
איור, סיינטיפיק אמריקן

הקדמת העורכים

המדענים קוראים לתחום האנרגיות הזה תחום הטֶרה אלקטרון-וולט או תחום ה-TeV. זוהי ממלכת הפיסיקה שמופיעה לנגד עינינו כששני חלקיקים אלמנטריים מתנגשים זה בזה באנרגיה כוללת של כביליון אלקטרון-וולט (10­12eV), או טֶרה אלקטרון-וולט אחד. בניית המכונה שתיקח אותנו לממלכה זו, מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) הטבעתי שבמעבדה האירופית לפיסיקת חלקיקים, CERN, מתקרבת כעת לסיומה.

כשאנו מטפסים בסקלות האנרגיה, מאלקטרון-וולטים יחידים עד לתחום ה-TeV, אנחנו בעצם נוסעים מן העולם המוכר דרך שרשרת של נופים נבדלים: מממלכות האלקטרוניקה של המצב המוצק והכימיה (אלקטרון-וולטים אחדים) דרך עולם התגובות הגרעיניות (מיליוני אלקטרון-וולט) ועד הטריטוריה שפיסיקאי החלקיקים חוקרים כבר זה מחצית המאה, מיליארדי אלקטרון-וולט.

מה ממתין לנו אי שם בתחום הTeV-? אין איש יודע.

אבל די מובטח לנו שתופעות חדשות ומהפכניות מסוג כלשהו עתידות להתחולל בקרוב. מדענים מקווים לזהות חלקיקים שמחפשים אחריהם זה זמן רב ושיוכלו לסייע להשלים את הבנתנו בדבר טבעו של החומר. תגליות משונות יותר, כגון סימנים של ממדים נוספים, עשויות גם הן להגיח מן האפלה.

בסוף ה"מסע" הזה אל תחום הTeV- ומעבר לו, נדע לראשונה ממה אנחנו עשויים וכיצד פועל המקום שבו חולפים חיינו בחטף, עמוק בתשתיתו. כמו ה-LHC עצמו לכשיושלם, נשלים מעגל מלא.

באותו נושא באתר הידען

מכונת התגליות

שיתוף פעולה עולמי של מדענים מתכנן לפתוח בניסוי פיסיקת החלקיקים הגדול ביותר בהיסטוריה.

תוכלו לחשוב עליו כעל המיקרוסקופ הגדול ביותר ורב העוצמה ביותר בתולדות המדע. מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) שכעת נשלמת בנייתו מתחת לחבל ארץ של שדות וכפרים במרחק נסיעה קצר מז'נבה, יציץ אל תוך הפיסיקה של המרחקים הקצרים ביותר (עד לננו-ננומטר) והאנרגיות הגבוהות ביותר שנחקרו מעולם. זה עשר שנים או יותר שפיסיקאי החלקיקים מחכים בכיליון עיניים להזדמנות לתור ממלכה זו, הקרויה לעִתים תחום ה-TeV בגלל תחומי האנרגיה המעורבים: ביליון אלקטרון-וולט, או טֶרה אלקטרון-וולט (TeV) אחד. פיסיקה חדשה ומשמעותית צפויה להופיע באנרגיות האלה, כגון חלקיק היגס החמקמק (שעל פי הסברה אחראי להענקת מסה לחלקיקים אחרים) והחלקיק המרכיב את החומר האפל, שממנו עשוי רוב החומר ביקום.

מכונת הנפילים הזאת, שעוסקים בבנייתה כבר תשע שנים, מיועדת על פי התכנון (בלי עין הרע) להתחיל לייצר את אלומות החלקיקים שלה בסוף 2008. על פי התכנית, יתחיל התהליך המבצעי באלומה אחת, ימשיך עם שתי אלומות ויגיע לאלומות מתנגשות; מאנרגיות נמוכות אל תחום ה-TeV; מעוצמות מבחן חלשות יותר אל עוצמות חזקות יותר המתאימות להפקת כמות שימושית של נתונים, אך קשות יותר לשליטה. כל צעד לאורך הדרך יצמיח אתגרים שעמם יתמודדו יותר מ-5,000 מדענים, מהנדסים וסטודנטים המשתפים פעולה במאמץ אדירים זה. כשביקרתי בפרויקט בסתיו 2007 כדי לראות במו עיני את ההכנות לחקירת גבול האנרגיות הגבוהות גיליתי, שכל מי שדיברתי אתו הביע ביטחון בהצלחת הפרויקט, למרות לוח הזמנים שעוכב שוב ושוב. קהיליית פיסיקאי החלקיקים ממתינה בכיליון עיניים לתוצאות הראשונות של ה-LHC. רבים ימצאו הד לרגשותיהם בדבריו של פרנק וילצ'ק מן המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), המתאר את סיכוייו של ה-LHC להביא בכנפיו "תור זהב לפיסיקה".

מכונה של שיאים

כדי שיוכלו לפרוץ אל תוך הטריטוריה החדשה הזו, תחום ה-TeV, חייבים נתוני הבסיס של ה-LHC לעלות על אלו של כל המאיצים הקודמים כמעט בכל מובן. לשם התחלה, יש צורך בהפקת אלומות פרוטונים באנרגיות גבוהות הרבה יותר מאי פעם. ב-LHC יש כמעט 7,000 מגנטים, המקוררים בהליום נוזלי לטמפרטורות נמוכות משתי מעלות קלווין כדי שיהפכו למוליכי-על. המגנטים האלה ינווטו וימקדו שתי אלומות פרוטונים הנעות במהירות הקרובה למהירות האור רק בכמיליונית האחוז. לכל פרוטון תהיה אנרגיה של כ- TeV7 פי 7,000 יותר מן האנרגיה הגלומה במסה של פרוטון במנוחה, המחושבת באדיבות המשוואה E =mc2 של איינשטיין. אנרגיה זו גבוהה בערך פי שבעה ממה שמספק שיאן המאיצים הבלתי מעורער של היום, הטוואטרון שבמעבדת המאיץ הלאומי האמריקני על שם פרמי בבטאוויה שבאילינוי. לא פחות חשוב מכך, המכונה מתוכננת להפיק אלומות שעוצמתן, או הבהיקות שלהן, גדולה פי 40 מזו של הטוואטרון. כשהמאיץ יהיה טעון במלואו והאנרגיה שלו תהיה מרבית, ישאו כל החלקיקים המסתובבים בתוכו אנרגיה השקולה בערך לאנרגיה הקינטית של כ-900 מכוניות הנוסעות במהירות של100 קמ"ש, או די אנרגיה כדי לחמם מים לכמעט 2,000 ליטרים של קפה.

הפרוטונים ינועו במבנה של כמעט 3,000 צרורות, המפוזרים ברווחים סביב להיקף בן 27 הקילומטרים של המאיץ. כל צרור יכיל עד 100 מיליארדי פרוטונים ויהיה בגודל של מחט, באורך של סנטימטרים ספורים בלבד ודחוס לקוטר של 16 מיקרונים (בערך כמו השערה האנושית הדקה ביותר) בנקודות ההתנגשות. בארבעה מיקומים מסביב לטבעת יחלפו המחטים האלה זו דרך זו, ויפיקו כך יותר מ-600 מיליון התנגשויות חלקיקים בכל שנייה. ההתנגשויות, או המאורעות, אם ננקוט את המינוח שבו משתמשים הפיסיקאים, יתרחשו בעצם בין החלקיקים המרכיבים את הפרוטונים – קוורקים וגלואונים. ההתרסקויות ההרסניות ביותר ישחררו כשביעית מן האנרגיה הזמינה שבפרוטוני האם, כ-2 TeV. (זו הסיבה שיכולותיו של הטוואטרון נופלות פי חמישה בערך מן הדרוש לחקר פיסיקת ה-TeV, על אף שלפרוטונים ולאנטי-פרוטונים שלו יש אנרגיה של טרה אלקטרון-וולט אחד.)

ארבעה גלאי ענק – הגדול שבהם יכול למלא עד כדי מחצית מקתדרלת נוטרדם בפריז, והכבד ביותר מכיל יותר פלדה ממגדל אייפל – ימדדו ויעקבו אחר אלפי החלקיקים שייפלטו מכל אחת מן ההתנגשויות המתחוללות במרכזם. על אף גודלם העצום של הגלאים, חלק מן הרכיבים שלהם חייבים להיות ממוקמים בדיוק של 50 מיקרון.

הנתונים הזורמים בכמעט 100 מיליון הערוצים היוצאים משני הגלאים הגדולים ביותר יוכלו למלא 100,000 דיסקים בשנייה, די כדי ליצור ערמה שמגיעה עד הירח בשישה חודשים. במקום לנסות לתעד הכול יהיו אפוא לנסיינים מה שקרוי "מערכות מאורע" (trigger systems) ואיסוף נתונים, הפועלות כמו מסנני דואר זבל עצומים, המשליכות מיד כמעט את כל המידע ושולחות רק את הנתונים מ-100 המאורעות המבטיחים ביותר בכל שנייה אל מערכת המחשוב המרכזית של LHC ב-CERN, המעבדה האירופית לפיסיקת חלקיקים וביתו של המאיץ, לצורך תיוק וניתוח בהמשך.

חווה של כמה אלפי מחשבים ב-CERN תהפוך את המידע הגולמי המסונן למערכות נתונים דחוסות יותר, המאורגנות ומוכנות לסריקה על ידי פיסיקאים. החוקרים ינתחו את הנתונים ברשת סריג המורכבת מעשרות אלפי מחשבים אישיים במוסדות בכל רחבי העולם, המחוברים כולם לליבה של שנים-עשר מרכזים גדולים בשלוש יבשות, המחוברים ל-CERN דרך כבלים אופטיים ייעודיים.

מסע בן אלף צעדים

בחודשים הקרובים יתמקדו כל העיניים במאיץ. החיבורים הסופיים בין מגנטים סמוכים בטבעת נעשו בתחילת נובמבר 2007 וכשנשלמה כתיבת המאמר באמצע דצמבר 2007, קוררה אחת משמונה הגזרות כמעט עד הטמפרטורה המקפיאה הדרושה לשם הפעלתה, והתחילו לקרר את השנייה. גזרה אחת כבר קוררה, עברה הרצה ואז הוחזרה לטמפרטורת החדר מוקדם יותר ב-2007. לאחר שתיבדק פעולת הגזרות, בהתחלה כל אחת לחוד ואז כמערכת משולבת, תוזרק אלומת פרוטונים לתוך אחד מצמד הצינורות הנושאים אותה סביב ל-27 הקילומטרים של המכונה.

סדרה של מאיצים קטנים יותר המזינים את האלומה לטבעת העיקרית של ה-LHC שכבר נבדקה, הביאה פרוטונים באנרגיה של 0.45 TeV, "סף הדלת" שדרכה יוזרקו אל קרבי ה-LHC. ההזרקה הראשונה של האלומה תהיה צעד קריטי, ומדעני ה-LHC יתחילו באלומה בעוצמה נמוכה כדי לצמצם את הסכנה של פגיעה בחומרה של ה-LHC. רק לאחר שיעריכו בקפידה כיצד מגיבות האלומות ה"ניסיוניות" האלה בתוך המאיץ ויכניסו תיקונים עדינים לשדות המגנטים המנווטים אותן הם ימשיכו הלאה לעוצמות גבוהות יותר. בהרצה הראשונה באנרגיה המתוכננת של 7 TeV, יסתובב רק צרור אחד של פרוטונים בכל כיוון במקום כמעט 3,000, המספר שאליו שואפים להגיע בסוף.

אין ספק שעתידות לצוץ בעיות בשעה שהמאיץ מתקדם בצעדים מדודים לקראת פעילות מלאה. השאלה הגדולה היא כמה זמן יידרש למהנדסים ולמדענים כדי להתגבר על כל אתגר ואתגר. אם יהיה צורך להחזיר גזרה לטמפרטורת החדר לשם תיקונים, ייתווספו חודשים לתהליך.

ארבעת הניסויים – ATLAS, ALICE, CMS ו-LHCb, עומדים גם הם לפני תהליך ארוך של השלמה, והם חייבים להיסגר לפני שתתחיל הפעלת האלומה. כמה יחידות שבריריות להפליא עדיין נתונות בעיצומה של התקנה, כמו למשל הגלאי המכונה "מאתר הקודקודים" (וורטקסים) שהותקן ב-LHCb באמצע נובמבר 2007. לפני שנים רבות למדתי לתואר מתקדם בפיסיקה, בהתמחות בצד התיאורטי ולא הניסויי, ולכן במהלך ביקורי התרשמתי התרשמות עמוקה מן הנחלים המוצקים של אלפי כבלים הנדרשים לנשיאת כל ערוצי המידע מן הגלאים – כל כבל מתויג כשהוא לעצמו ומותאם בעבודת נמלים קפדנית לשקע המתאים ונבחן על ידי סטודנטים.

על אף שהאלומות יתנגשו רק בעוד חודשים, מקצת הסטודנטים והפוסט-דוקטורנטים כבר הניחו את ידיהם על נתונים אמיתיים, באדיבות הקרניים הקוסמיות המחלחלות מטה דרך הסלעים הצרפתים-שוויצריים וחולפות דרך הגלאים שלהם באקראי. תצפית בתגובת הגלאים למסיגי הגבול האלה מספקת הערכת מצב חשובה המראה שהכול פועל יחד כנדרש – מספקי המתח ורכיבי הגלאים ועד מעגלי התקני הפלט ותוכנות איסוף הנתונים המשלבות את מיליוני האותות הבדידים לכדי תיאור קוהרנטי של "מאורע".

ועכשיו כולם יחד

וכשהכול אכן יפעל בתיאום, ובכלל זה האלומות המתנגשות במרכזו של כל גלאי, תעמוד לפני הגלאים ומערכות עיבוד הנתונים משימה אדירה. בבהיקות המתוכננת, יתחוללו עד 20 מאורעות בכל פעם שצרורות הפרוטונים דמויי המחט יחלפו זה דרך זה, דבר שקורה כל 25 ננו-שניות בממוצע (לפעמים יש מרווחים גדולים יותר). בכל פעם שהצרורות יחלפו זה דרך זה יינתזו חלקיקים הנוצרים כתוצאה מן ההתנגשויות ויחלפו דרך הגלאי. בשעה שהצרורות יחלפו זה דרך זה בפעם הבאה, ימשיכו עדיין החלקיקים מן המפגש הקודם לנוע דרך השכבות החיצוניות של הגלאי. רכיבים שונים בכל אחת משכבות הגלאי יגיבו אפוא כשיחלוף דרכם חלקיק מן הסוג המתאים. מיליוני ערוצי הנתונים הזורמים הלאה מן הגלאי יפיקו כמגה-בייט של נתונים מכל מאורע: פטה-בייט, כלומר מיליארד מגה-בייט בכל שתי שניות.

למערכות הסינון שיצמצמו את מבול הנתונים הזה למידות שאפשר לטפל בהן יש כמה רמות. הרמה הראשונה מקבלת ומנתחת נתונים שמגיעים רק מתת-מערכת של כל רכיבי הגלאי, מהם היא יכולה ללקט מאורעות מבטיחים בהתבסס על גורמים מבודדים, כגון האם התגלה מואון אנרגטי שטס בזווית גדולה מציר האלומה והלאה. סינון כזה, ברמה 1, ינוהל על ידי מאות לוחות מחשב ייעודיים שהלוגיקה שלהם צרובה בחומרה. הלוחות יבחרו 10,000 קבוצות נתונים לשנייה לצורך ניתוח קפדני יותר שייערך בשלב הבא, בסינון ברמה גבוהה יותר.

מערכות הסינון ברמה הגבוהה, לעומת זאת, יקבלו נתונים מכל מיליוני הערוצים של הגלאי. התוכנה שלהן תרוץ בחוות המחשבים, ובזכות מרווח הזמן של 10 מיקרו-שניות בממוצע בין כל קבוצה המאושרת על ידי מערכות הסינון ברמה 1, יעמוד לרשותן די זמן "לבנות מחדש" כל מאורע ומאורע. במילים אחרות, הן יסרטטו עקבות המובילות אל נקודות מוצא משותפות וכך יבנו מערכת נתונים מתואמת: האנרגיה, התנע, המסלול ונתונים נוספים של החלקיקים הנוצרים בכל מאורע.

הסינון ברמה הגבוהה מעביר כ-100 מאורעות בשנייה אל לבו של סריג המחשוב של ה-LHC. רשת סריג משלבת את עוצמת העיבוד של רשת מרכזי מחשוב ועושה אותה לנגישה למשתמשים המעוניינים להיכנס אליה מתוך מוסדות הבית שלהם [ראו "חישוב ללא גבולות", מאת איאן פוסטר, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אוגוסט-ספטמבר 2003].

הסריג של LHC מאורגן בנדבכים. נדבך 0 מצוי ב-CERN ומורכב רובו מאלפי מעבדי מחשב מסחריים, גם קופסאות הדומות למחשב אישי וגם, בזמן האחרון, מערכות "להב" ("blade") שגודלן כגודל קופסת פיצה אבל בשחור מסוגנן, המאוחסנות בשורות של מדפים. גם עכשיו עדיין רוכשים ומצרפים מחשבים למערכת. האחראים על המערכת, בדומה למשתמש הביתי, מחפשים את השילוב המנצח המשתלם ביותר, שאינו שוקט על שמריו לעולם, ולכן נמנעים מקניית הדגמים החדשים ורבי העוצמה ביותר ומעדיפים אפשרויות חסכוניות יותר.

הנתונים העוברים לנדבך 0 על ידי ארבע מערכות איסוף הנתונים של ניסויי ה-LHC יתויקו בסרט מגנטי. הדבר עשוי להישמע מיושן ופרימיטיבי בעידן זה של דיסקים מסוג DVD-RAM וכונני הבזק (פלאש), אבל פרנסואה גריי ממרכז המחשוב של CERN אומר שהתברר שזוהי הגישה המאובטחת והחסכונית ביותר מבחינה כספית.

נדבך 0 יפיץ את הנתונים אל 12 מרכזי נדבך 1, הממוקמים ב-CERN עצמה ובעוד 11 מוסדות חשובים ברחבי העולם, ובהם פרמילאב והמעבדה הלאומית האמריקנית ברוקהייבן, וכן מרכזים באירופה, באסיה ובקנדה. כך המידע הלא מעובד יישמר בשני עותקים, אחד ב-CERN והשני מפוזר ברחבי העולם. כל אחד ממרכזי נדבך 1 יחזיק גם במערכת שלמה של נתונים במבנה מרוכז, המאפשר למדענים לערוך ניתוחים פיסיקליים רבים.

לסריג המחשוב המלא של LHC יש גם מרכזי נדבך 2, שהם מרכזי מחשוב קטנים יותר באוניברסיטאות ובמכוני מחקר. המחשבים במרכזים האלה יספקו כוח עיבוד מבוזר לסריג כולו לצורך ניתוחי הנתונים.

מסלול מכשולים

לאור כל הטכנולוגיות החדשניות המצויות בעיצומן של הכנות לפעולה, לא מפתיע ש-LHC נתקל בכמה שיהוקים – ובכמה מהמורות רציניות יותר – לאורך הדרך. אחד המגנטים מן הסוג שנועד למקד את אלומות הפרוטונים ממש לפני נקודת התנגשות (המכונה מגנט קוואדרופולי) סבל במארס 2007 מ"כשל רציני" תוך כדי בחינת יכולתו לעמוד נגד הכוחות החזקים שעלולים להופיע אם, לדוגמה, יאבדו סלילי המגנט את תכונת העל-מוליכות שלהם במהלך תנועת האלומה (תקלה המכונה כיבוי, או קריסה). כמה מתמוכות המגנט קרסו בלחץ המבחן, נשמע קול נפץ רם כאילו משהו התפוצץ וגז הליום השתחרר. (אגב, כשנכנסים עובדים או עיתונאים מבקרים למנהרה, הם נושאים מכשיר נשימה קטן לשעת חירום, כאמצעי זהירות.)

המגנטים האלה בנויים בקבוצות של שלושה, בהתחלה כדי לדחוס את האלומה מצד לצד, אחר כך במאונך ולבסוף שוב מצד לצד. סדרת הפעולות הזאת מביאה את האלומה למיקוד חד. ה-LHC משתמש ב-24 מגנטים כאלו, שלישייה אחת בכל צד של ארבע נקודות האינטראקציה. תחילה לא ידעו המדענים אם יהיה צורך להסיר את כל 24 המגנטים מן המכונה ולהעלותם אל פני הקרקע לשיפוץ, תהליך זולל זמן שהיה עלול להוסיף שבועות ללוח הזמנים. הבעיה הייתה ליקוי בתכנון: מתכנני המגנט (חוקרים בפרמילאב) לא התחשבו בכל סוגי הכוחות שנגדם צריכים המגנטים לעמוד. החוקרים מ-CERN ומפרמילאב עבדו בקדחתנות, זיהו את הבעיה וחשבו על אסטרטגיה לתיקון המגנטים שלא ניזוקו, בלי להוציאם ממנהרת המאיץ. (השלישייה שניזוקה במבחן הועלתה אל פני הקרקע לצורך תיקונים.)

מנכ"ל CERN, רוברט איימר, הודיע ביוני 2007 שבגלל הכשל במגנט, שהתלווה אליו אוסף בעיות קלות, הוא נאלץ לדחות את תאריך ההפעלה המתוכנן של המאיץ מנובמבר 2007 לאביב 2008. אנרגיית האלומה חייבת לצבור תאוצה מהר יותר, כדי לנסות לעמוד בלוח הזמנים ו"לעשות פיסיקה" ביולי 2008.

אף שכמה מן העובדים בגלאים רמזו לי שהיו שמחים לקבל קצת יותר זמן, יש סיבה לדאגה בשל תאריך הפתיחה המתאחר שוב ושוב, מכיוון שככל שיידרש ל-LHC יותר זמן כדי להפיק כמויות נתונים הגונות, כן יהיו לטוואטרון – שעדיין פועל – יותר הזדמנויות לחטוף לו את התהילה. הטוואטרון יוכל למצוא ראיות לקיומו של בוזון היגס או למשהו מסעיר באותה מידה, אם הטבע עולל תעלול אכזרי ונתן לו די מסה שתביא להופעתו בדיוק עכשיו בהר הנתונים ההולך וגדל של פרמילאב.

העיכובים יכולים לגרום גם מצוקות אישיות בשל המחיר שכמה מן המדענים והסטודנטים משלמים כשהתקדמות הקריירה שלהם נבלמת בעת שהם ממתינים לנתונים.

בעיה אחרת, שעלולה להיות חמורה התעוררה בספטמבר 2007, כשגילו המהנדסים שאצבעות נחושת מחליקות המצויות בתוך צינורות האלומות וקרויות מודולים נשלפים, התקמטו לאחר שגזרה של המאיץ קוררה לטמפרטורות המקפיאות הדרושות להפעלה ולאחר מכן חוממה בחזרה לטמפרטורת החדר.

בתחילה היקף הבעיה לא היה ברור. בכל הגזרה שבה נערך קירור המבחן יש 366 מודולים נשלפים, ואם היה צורך לפתוח כל אחד ואחד מהם כדי לבדקו ואולי לתקנו, זה היה נורא ואיום. במקום זאת הצליח הצוות שטיפל בבעיה לטכס תחבולה: הם הכניסו כדור קצת יותר קטן מכדור פינג-פונג לתוך צינור האלומה -קטן דיו כדי להתאים לצינור ולהידחף בתוכו בעזרת אוויר דחוס וגדול דיו כדי להיבלם במודול מעוות. הכדור שידר גלי רדיו בתדירות של 40 מגה-הרץ – אותה תדירות שבה יסעו צרורות הפרוטונים לאורך הצינור כשהמאיץ יפעל במלוא התפוקה – וכך היה אפשר לעקוב אחר התקדמותו בעזרת חיישני האלומות המותקנים במרווחים של 50 מטרים. לרווחת כולם, התרגיל הזה הראה שרק שישה מבין המודולים של הגזרה אינם מתפקדים כהלכה, כך שהיה אפשר להתמודד עם פתיחתם ותיקונם.

כשבוצע החיבור האחרון בין מגנטי המאיץ בנובמבר 2007, החיבור שהשלים את המעגל וסלל את הדרך להתחלת קירור כל הגזרות, אמר מנהל הפרויקט לין אוונס: "בשביל מכונה מורכבת כל כך, העניינים מתנהלים בדרך חלקה להפליא, וכולנו מצפים להתחיל לעשות פיסיקה עם ה-LHC בקיץ הקרוב."

דבר העורכים – האם צפויה מהפכה בפיסיקה?

"המהפכות הבאות בפיסיקת החלקיקים" מאת כריס קוויג ו-"מכונת התגליות" מאת גרהם פ' קולינס הם שני המאמרים שאנו מפרסמים בגיליון זה לקראת האירוע המהפכני בתולדות הפיסיקה של חלקיקים: הפעלתו של מאיץ ההדרונים הגדול (Large Hadron Collider – LHC) שבנייתו הולכת ונשלמת ב-CERN, המרכז האירופי לפיסיקה גרעינית בז'נבה. נראה כי שום אירוע מדעי בשנים האחרונות לא עורר התעניינות, ציפיות והתרגשות גדולה כל כך כמו ההפעלה הקרובה של ה-LHC. הציפיות מרקיעות שחקים, והן לא רק מנת חלקם של פיסיקאים, אלה גם של כל מי שמתעניין בהתפתחות המדע ורוצה לקחת חלק במסע העקשן והמתמיד שעשוי להביא אותנו להבנה טובה יותר של העולם שבו אנו חיים והעולמות הסובבים אותנו.

אלפי פיסיקאים ומהנדסים מכל העולם משתתפים בתכנון המאיץ הגדול ובבנייתו. ל-LHC שתי משימות מרכזיות: האחת, בניית מאיץ חלקיקים תת-אטומיים (הדרונים) למהירות הקרובה למהירות האור באנרגיה של כ-7 טרה-אלקטרון-וולט ( TeV7). התנגשות החלקיקים במהירות הזאת, תהיה באנרגיה כפולה של TeV 14, או 14 מיליון מיליוני אלקטרון-וולט , אנרגיה השקולה למסה הגדולה פי 14,000 ממסת הפרוטון. מדובר אפוא בטווח אנרגיות שמעולם לא נוסה. החוקרים צופים כי התנגשות של פרוטונים באנרגיות כאלה תוליד "גשם" של חלקיקים, מהם מוכרים, המתקבלים גם באנרגיות התנגשות נמוכות יותר, ומהם כאלה שטרם נצפו ושאסור "להחמיץ" אותם. גילויים של החלקיקים הלא מוכרים אמור לתת תשובות לשאלות שיקבעו את גורל הפיסיקה של המחר, כגון חידת מקור המסה. מכאן החשיבות הגדולה של המשימה השנייה: תכנון ובנייה של גלאים שיוכלו לגלות את החלקיקים האלה ולמדוד את תכונותיהם. אחד המתקנים, ATLAS, הוא מערך הגלאים הגדול ביותר מסוגו, וממדיו חסרי תקדים: קוטרו כ-25 מטר, אורכו כ-46 מטר ומשקלו כ-7,000 טונות. השילוב האינהרנטי של הטכנולוגיה, ההנדסה והמדע בפיתוח ה- LHC משקף למעשה את התלות ההדדית של המדע התיאורטי וחידושי הטכנולוגיה זה בזה. בתכנונו ובתכנון הניסויים שיבוצעו בו השתתפו אלפי פיסיקאים ומהנדסים ממדינות רבות, ובכללן ישראל.

זהו מפעל בין-לאומי במלוא מובן המילה ולמדענים הישראלים חלק חשוב בתכנון הניסויים שיבוצעו ב-LHC ובניתוחם. פרופסור גיורא מיקנברג ממכון ויצמן למדע עומד בראש הפרויקט הישראלי, ובמסגרתו נבנה (במכון ויצמן) גלאי מואונים עצום, המיועד לקבוע מתי להתנגשות יש סיכוי ליצור את החלקיקים ה"מעניינים", ויש לשמור אותה במאגר הנתונים. עוד שותפים בפרויקט ד"ר לורן לוינסון, ד"ר דניאל ללוש והפרופסורים עילם גרוס (האחראי על הניתוח הסטטיסטי של הנתונים בגלאי אטלס) ואהוד דוכובני ממכון ויצמן, שלומית טרם ויורם רוזן מן הטכניון וארז עציון מאוניברסיטת תל אביב. המדענים הישראלים משתתפים בתכנון הניסויים שיתרכזו בעיקר בגילוי הבוזון היגס (האחראי למנגנון הקניית המסה והוא החלקיק היחיד שטרם התגלה במסגרת המודל הסטנדרטי), וכן בפיסיקה שמעבר למודל הסטנדרטי: חלקיקים סופר-סימטריים וחורים שחורים.

אכן, הציפיות גדולות, האם ה-LHC יאפשר לאשש סופית את המודל הסטנדרטי ולגלות את החלקיקים ה"חסרים", שהמודל חוזה כגון בוזוני היגס? אך הפעלת "מכונת התגליות", כפי שמכנה גרהם קולינס את ה-LHC, עשויה גם לתת תשובות לשאלות בסיסיות על היקום, כגון ממה עשוי החומר האפל המהווה כ-96% מן היקום, האם יש סימטריות חדשות של הטבע המקשרות חומר, אנרגיה, מרחב וזמן? למה הטבע מעדיף חומר ולא אנטי-חומר, וכיצד החומר התפתח ברגעים הראשונים של היקום. אלה רק מקצת השאלות המסקרנות שה-LHC עשוי לתת להן מענה, שאלות שניסוחן והניסיונות לפתרונן מהוות את הבסיס לפיתוחו המתמיד של המדע.

24 Responses

  1. מיכאל ואבי,
    אם כבר הסתרבלתי אל תוך התפלמסות,בתגובתי לאבי,עלי להרחיב מתוך הציטוט של מיכאל לתגובה מספר 5 שלו.
    מהי המילה חוק?הרי העולם השכם וערב רואה ובודק למכלול התופעות והניסיבתיות של
    כל הקורה,וכך בהתאם לרוח הזמן,מוצאים,ממציאים חוק ששופך אור על אותן סוגיות נשאלות,ושוב כדרכו של כל מדען או ספקן ינסו להפריך את אותו יסוד הנחה,וכך לשרשרת מושרשת עולות ויורדות על גבי דפי התיעוד תיאוריות המבוססות על מיני תחרויות מוחין למינהם-"מי המציא את הגלגל" וכו,כך גם חוקי חברה ההופכים למוסכמות..עד השבר הבא
    לפי הלך הזמנים השורה על חברות קטנות וגדולות..תתי חוקים וכו..עדיין ישנו ה"משהו"
    שאינו פוסל את כל יסודות החוקים הישנים..ואולי כן לפי שעה נחוצה,או מותנית..אך הוא מאחד ומשמר את כל הזרמים והוא נקרא חוקיות..המשמרת את כלל אחדות כל היקומים לפי מחזוריותם..סודה הדגול של אותה חוקיות,שאין היא כופה מאומה,אך כל החוקים על פי
    מדרגותיהם המואצלות כפופים ,מכופפים,ואחרי הכל מהלכים על פיה,ושמה "גורל-עליונים"
    או "גורל-טבע",למעשה כל תורות המהות מלמדים דרכיה,והמדע החמוד,מנסה להפריך את
    קיומה…ואם אמשילה דומה היא "לטווסת שמיימית"..זרועת כוכבים ,שמשות רבות ופיתולים..

    היא אליכם :מחייכת,כאילו אומרת,נסו הכל,ואני גם דרככם אלמד..ונראה..
    אך דבר אחד כולנו יודעים:אי ידיעת החוקים והחוקיות..איננה פוטרת ,על כן על כך מופקד
    דרכו של הזמן.(בשבתאי)…כעת גם לכל השמיים..כאורנוס..יש איתה עסק.גם שם החוקים
    משתנים כל הזמן..והיא מחייכת..נו נו..נראה .

  2. אבי,
    אתה מבין,כעת מה ההבדל בין מוח-"פולמוסי"ובין מוח-"פילוסופי?
    אני,נוהגת להתבונן בעיקרון המרכזי של האישו:במסר."למעשה אחרי אותו גל-מוח ענק הייתה תפנית מהפכת".
    אבל לא רציתי לקלקל לכולם את המסר.
    לפעמים אני מוצאת,שדוקא אתם ה"הבנים",עוסקים בפרטים מסורבלים,עד רכילאיים וקטנוניים ואינכם רואים את העקרונות הפילוסופים העמוקים העומדים מאחורי הדברים.
    אבל,כמובן!זו הייתה הכללה מטעה ביותר,כיוון שכן,ישנם גם בנים חכמים מאוד שרואים
    למכלול,וגם לדקויות הקטנות ביותר.
    אישית,אני מקווה מאוד עבורך ,שלא הכנסת אותי "לסל" מקטרג כלשהו -באמירתך ..
    שחס,לא תצא נלעג על-ידי עצמך.
    ושוב מקווה,שלפחות קימצוץ משפעת הקרן שהכנסתי אל תוך אתרך, כן הבינות-ובכבוד.
    ואגב,ראית במקרה את "אסטרונום"-הבית שלנו??הוא פתאום נעלם…יהודה????

  3. מיכאל,
    אני חושבת שתגובתך ה-5 מחדדת נתון,שחשוב לכולם להבינו,בנוגע לניסוי המאיץ האדיר
    החל מחר."זה שנותנים את השם קוואנט אינו פוטר אותו לציות לחוק".

    חוץ מזה,כל הניסוי הכביר המיוחס למאיץ,מזכיר לי את הספר:"גל-מוח"-פול אנדרסון,1950 ,ואצטט למען הנאמנות למקור את גב הספר:"
    ההתפתחויות היו מדהימות.בעלי-חיים
    התחילו להגיב כיצורים חושבים.ילדים גילו כושר חשיבה והמצאה של גאונים.לפתע נהפכה מערכת החינוך ובתי-הספר למיושנת ולמיותרת.כל זה קרה בזכות גל מיוחד שגרם להאצת התגובה המוחית והפך את מנת המישכל 500 לתופעה רווחת.בין אם היתה מוכנה לכך,בין אם לא,עמדה האנושות על סף מהפכה רוחנית אדירה.עידן חדש עמד בפתח-מרתק ועז יותר-ודבר לא נותר כפי שהיה."
    קראתי את הספר ב-1980 :שווה לראות אם עדיין נמצא,הוצאת זמורה,ביתן,מודן.
    דאז,זה היה פרובוקטיבי,מרתק ומדהים..
    ושאלתי:האם עולם ההשראות מהלך עלינו ודוחף לכיוון ה"תסריטים",שנכתבו בכל הזמנים??ואולי המציאות עוד גדולה מהמשוער??

  4. קראתי אבל לא הבנתי כלום. תחלס ובמלים פשוטות מ יתן לנו….. תנו לי דוגמאות.
    אם זה יצלח מה נקבל מזה. מה ?
    אני לא נגד זה אני דווקא בעד .

  5. אני לא מבין. אבל יש לי שאלה אחת …. מה זה יתן לנו??????
    מה נקבל מזה . מה ? אפשר תשובה בבקשה.

  6. במסלול מעגלי של המאיצים, החלקיק יעוף מהמסלול אם לא מתחשבים בהגדלת המסה של החלקיק וכתוצאה מכך הגדלת הכוח הצנטריפוגלי. ואין כאן בכלל ספק לגבי האפקט של הגדלת המסה כל האנרגיה מהמאיץ הולכת להגדל המסה (האנרגיה הקינטית).

  7. זה מה שקורה כשמתקינים מערכת הפעלה מחדש.
    התגובה הקודמת היא שלי

  8. זה כבר עניין של טעם אישי.
    מה שברור הוא שכאשר רועי מדבר על מסה שגדלה הוא מדבר על מסה רלטיביסטית גם אם אינו יודע זאת. הוא פשוט ניזון מן המונחים שהתקבלו בציבור (וכנראה שלא בלי סיבה כיוון שניסוח החוקים באמצעות מסה רלטיביסטית יותר נוח בהרבה מקרים).

  9. מיכאל, הדברים אינם ברורים כמו כן מטעים אנשים חסרי ידע בתורת היחסות.
    המסה הרלטיביסטית היא הגדרה לצורך חישוב.
    המסה העצמית של הפרוטון לא תשתנה עקב מהירותו הקרובה למהירות האור. שוב אם המסה הייתה משתנה היה צורך לחישוב עוד נעלם במשוואות הגם ככה מסובכות שהמדענים שם צריכים לפתור.

    ישנו ניסוי מחשבתי מעניין בנושא הזה אני אתאר אותו בקצרה. אם תשים שני מסות רחוק מכל גורם, הם ימשכו לפי חוקי ניוטון יפעל עליהם כוח F. עכשיו תגרום למסות לנוע בניצב לכיוון הכוח. אזי אם המסות גדולת בעקבות המהירות נראה כוח הגדול מ F. לעומת זאת לפי טרנ' לונרץ לכוחות, הכוח שנראה עליהם יהיה יותר קטן.

  10. מי שאוהב מד"ב או סתם סיפורת כדאי שיקרה את טבעת כארון והכדור שנופץ . שני ספרים שמתארים כיצד מאיץ חלקיקים יוצר חור שחור בצורה מבוקרת מכארון הירח של פלוטו כדי להלחם בפלישת חייזרים. מאוד מעניין ויכול להיות שבתנאים הנכונים יום אחד אפילו ישומי.

  11. זה לא מיקרוסקופ כפי שנאמר. אם כבר הגלאים הם מיקרוסקופים. מה שבנו כאן הוא בעצם פטיש מתוחכם ולא יותר . הם מתיחים זה בזה את הפרוטונים כמו פטיש נע בסדן נע. בסוף הכל עניין של כוח גולמי ולא יותר.

  12. א. בן-נר:
    בהקשר שבו נאמרה המילה "בטח" מתאימה גם מתאימה.
    עמרי שתייחס לשאלת הגדלת המסה ולעוותי הזמן והמרחק וכל אלה חלים גם על חלקיקים קוואנטים.
    סיווג תורה כקוואנטית או קלאסית אינו משנה את התורה ואינו מסביר דבר.
    השפעת תורת היחסות על חלקיקים קוואנטים מוכחת בטבע ובמאיצים הקיימים מדי יום.
    הסיבה להקמת LHC אינה הצורך לגלות אם מסת הפרוטון משתנה בהתאם לחוקי היחסות.

  13. לעומרי,
    אני מקווה שבמשוואה שציינת אינה כוללת את המקדם גמא, כי אם כן אנני מבין למה אתה חושב שמסת הפרוטנים תגדל כלל שינעו מהר יותר.
    לפי תורת היחסות הפרטית המסה לא משתנה.
    חוץ מזה אם המסה הייתה משתנה אני מניח שזה די מכביד על החישובים – כי אז היו צריכים להתייחס אליו כעוד נעלם במשוואות.

    לא כל "עצם" שנע במהירות גדולה (משהו של C) מושפע מתורת היחסות?

  14. למיכאל
    לדעתי המילה "בטח" אינה כל כך במקומה. אם זה היה "בטח" אולי לא היה צריך לבנות את ה-LHC הזה וגם לא היה צריך להמציא את תורת המיתרים (התאורטית בלבד לפי שעה וללא אישוש ניסויי- עד ה-LHC (שמתם לב לחרוז ?) ), הראשונה להכליל את תורת הקוונטים ותורת היחסות לתורה כוללת אחת.
    הרי ידוע מתורת הקוונטים שחלקיקים קוונטיים (דהיינו שמסתם מספיק קטנה) מתנהגים לפי "חוקי המסות הקטנות" של תורת הקוונטים(כגון חלקיק-גל, מעברי מחסומי פוטנציאל אין סופיים ועוד )
    בעוד שתורת היחסות אינה תורה קוונטית ע"פ ניסוחה אלא תורה "קלאסית".

  15. עמרי:
    בטח שפרוטון כמו גם כל חלקיק קוואנטי אחר מקיים את תורת הייחסות.
    זה שנותנים למשהו את השם "קוואנטי" אינו פוטר אותו מציות לחוק.

  16. מה קשור מהירות האור נשברת…..?

    אתה עושה קשר לא נכון בין אנרגיה למהירות האור
    eV זאת יחידה של אנרגיה
    T זה טרה- 1000 ג'יגה
    והמשוואה היא
    E=mc^2
    הם לא הולכים לשנות את מהירות האור
    אלא הולכים "להטיס" פרוטונים במהירות שקרובה למהירות האור
    מה שאז יקרה לפי תורת היחסות בשביל הפרוטונים-
    המסה שלהם תגדל מאוד, והזמן עליהם יעבור לאט יותר
    הקטע הוא, שפרוטון הוא חלקיק קוונטי, האם הוא מקיים את תורת היחסות ?

  17. תקנו אותי אם אני טועה אבל ידעתי שזה יגיע TeV7…
    מהירות האור נשברת גם היא עכשיו למהירות C²*7000 הם פורצים דרך לעבר? שוברים את כל המיתוסים על העולם? מה הם בדיוק מנסים לעשות?

  18. מעניין שתורת המיתרים לא מוזכרת.
    האמת היא, שרק מודל אופציונלי ומאוד לא סביר של פרמטרים בתורת המיתרים חוזה אילושהם אפקטים בתחום אנרגיות נמוך זה של טרה אלקטרוןוולט.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

אתר זה עושה שימוש באקיזמט למניעת הודעות זבל. לחצו כאן כדי ללמוד איך נתוני התגובה שלכם מעובדים.