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

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

• האם כדור הארץ עומד להיבלע ע”י חור שחור?

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.