כיצד נראו המיקרו-שניות הראשונות של היקום?

בניסויים שנערכו לאחרונה הצליחו פיזיקאים לשחזר את התנאים ששררו ברגעים הראשונים לאחר המפץ הגדול, והגיעו לתובנות מרתקות על הפיזיקה של החלקיקים

מאת: ו' זייק ומ' ריורדן, סיינטיפיק אמריקן

כדי לחקות את התנאים ששררו בראשית היקום השתמשו מאות מדענים בחמש השנים האחרונות במפצח אטומים רב-עוצמה, המצוי במעבדה הלאומית של ברוקהייבן בלונג איילנד. מכשיר זה, הקרוי “מאיץ יונים כבדים יחסותי” (RHIC), מפגיש שתי אלומות של גרעיני זהב הנעים במהירויות הקרובות למהירות האור. התנגשויות חזיתיות בין זוגות גרעיני זהב משתי האלומות מחוללות פרצי חומר ואנרגיה חמים וצפופים ביותר, בתהליך המדמה את מה שהתחולל במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול . “מיני-מפצים” קצרים אלו מרמזים למדענים על התהליכים שאירעו ברגעים הראשונים של הבריאה. במשך אותם רגעים ראשונים, היה החומר בליל חם ביותר ודחוס מאוד של חלקיקים הקרויים קוורקים וגלואונים, שנעו לכל עבר והתנגשו זה בזה. קומץ של אלקטרונים, פוטונים וחלקיקים אלמנטריים אחרים תיבל את המרק שנוצר. טמפרטורת התערובת הייתה בסדר גודל של טריליון מעלות, טמפרטורה החמה פי 100,000 מזו של ליבת השמש.

אך עם התפשטות היקום, החלה הטמפרטורה לצנוח, בדיוק כפי שגז רגיל מתקרר כשהוא מתפשט במהירות. הקוורקים והגלואונים האטו כל כך, עד שכמה מהם יכלו להיצמד יחד לפרקי זמן קצרצרים. כעבור כ-10 מיקרו-שניות, עקב כוחות המשיכה החזקים ביניהם, התקבצו הקוורקים והגלואונים באופן קבוע ויצרו פרוטונים, נויטרונים וחלקיקים אחרים המגיבים לכוח הגרעיני החזק, והידועים בפי הפיזיקאים בשם הכולל “הדרונים”.

שינוי חד כזה בתכונותיו של חומר נקרא מעבר פאזה (בדומה למעבר המתרחש במים כשהם קופאים ועוברים ממצב נוזל לקרח מוצק). מעבר הפאזה הקוסמי מן התערובת המקורית של קוורקים וגלואונים אל אותה תערובת של פרוטונים ונויטרונים רגילים, הוא מקור לעניין עצום בקהילה המדעית – גם למי שמחפשים רמזים לגבי התפתחותו של היקום לעבר המצב המבני שהוא מצוי בו היום, וגם למי שמנסים להיטיב להבין את הכוחות הבסיסיים המעורבים בתהליך.

שרידים של ים קדמון

הפרוטונים והנויטרונים היוצרים את גרעיני האטומים כיום, הם שרידים של אותו ים קדמון, ומהווים מעין תאי כלא תת-אטומיים עבור הקוורקים הנעים בהם, כלואים לעד. אפילו בהתנגשויות רבות-עוצמה, כשנדמה שהקוורקים יוכלו להשתחרר, נוצרים “קירות” חדשים שמשאירים אותם כלואים. על אף ניסיונות של מדענים רבים, איש מהם לא הצליח לזהות קוורק יחיד הנע לבדו בגלאי חלקיקים.

RHIC מציע לחוקרים הזדמנות פז לצפות בקוורקים ובגלואונים, משוחררים מתוך פרוטונים או נויטרונים, ומצויים במצב קולקטיבי, חופשי-לכאורה הדומה למצב ששרר באותן מיקרו-שניות קדומות של היקום. התיאורטיקנים נתנו למרקחת זו את שמה המקורי – “פלזמת קוורק-גלואון”, מאחר שציפו שתכונותיה יהיו דומות לתכונותיו של גז חם ביותר של חלקיקים טעונים (פלזמה), בדומה למה שנוצר במכת ברק.

RHIC, שמפציץ גרעינים כבדים זה בזה במעין “מפצים קטנים” ומשחרר לזמן קצר קוורקים וגלואונים, משמש למעשה כמין טלסקופ בזמן, המאפשר להציץ ליקום הקדמון, שבו שלטה אותה פלזמה חמה ודחוסה של קוורק-גלואון. ההפתעה הגדולה ביותר עד כה ב-RHIC היא, שאותו חומר אקזוטי מתנהג בצורה הדומה לנוזל בעל תכונות מיוחדות, הרבה יותר מאשר לגז.

התנועה לשחרור הקוורקים

ב-1977, כשפרסם הפיזיקאי העיוני סטיבן ויינברג את ספרו הקלאסי “שלוש השניות הראשונות” על הפיזיקה של היקום הקדום. בספרו הוא נמנע מלקבוע מסקנות חד-משמעיות לגבי מאית השנייה הראשונה. “אנו פשוט עוד לא יודעים די הצורך על הפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים, כדי שנוכל לחשב את תכונותיה של ערבוביה כזאת, במידה כלשהי של ביטחון,” הוא כתב בצער. “מכאן שהבורות שלנו לגבי הפיזיקה המיקרוסקופית היא שחוצצת בינינו לבין הבנתנו את ראשית היקום.”

ואולם, פריצות דרך תיאורטיות וניסיוניות, כבר בעשור ההוא, החלו להנמיך את החיץ. ראשית התגלה שפרוטונים, נויטרונים וכל ההדרונים האחרים מכילים קוורקים. ויותר מזה – באמצע שנות ה-70 פותחה התיאוריה של הכוחות החזקים הפועלים בין הקוורקים, הקרויה כרומודינמיקה קוונטית, או QCD. תיאוריה זו הניחה ששמינייה חמקמקה של חלקיקים ניטרלים הקרויים גלואונים, סובבת בין הקוורקים ונושאת את הכוח הבלתי פוסק, הכולא אותם בתוך ההדרונים.

מה שמעניין במיוחד ב-QCD הוא, שבתיאוריה זו, שלא כבתיאוריות של הכוח האלקטרומגנטי וכוח הכבידה, כוח הצימוד נחלש כשהקוורקים מתקרבים זה לזה. תופעה מוזרה ולא אינטואיטיבית זו קיבלה את השם “חופש אסימפטוטי”. היא גורמת לכך שכששני קוורקים מצויים קרוב זה לזה, במרחק הקטן מקוטרו של פרוטון (כ-10-13 סנטימטר), הם חשים כוח מוחלש, כוח שפיזיקאים מסוגלים לחשב אותו בדיוק רב בעזרת שיטות סטנדרטיות. רק כשהקוורקים מתחילים להתרחק זה מזה, הופך הכוח ביניהם לחזק באמת ומושך את החלקיקים בחזרה.

יותר מכל דבר אחר, החופש האסימפטוטי ב-QCD הוא הגורם שיאפשר לפיזיקאים להרים את החיץ של ויינברג, וללמוד על מה שקרה באותן מיקרו-שניות ראשונות. כל עוד הטמפרטורה הייתה גבוהה מ-10 טריליוני מעלות, הקוורקים והגלואונים התנהגו למעשה כחלקיקים עצמאיים. גם בטמפרטורות נמוכות יותר, עד כ-2 טריליוני מעלות, הקוורקים המשיכו לשוטט באופן עצמאי, אלא שאז הם כבר התחילו לחוש את כוח ה-QCD הכולא נושף בעורפם.

איך משחזרים את המפץ הגדול?

כדי לדמות תנאים כה קיצונים כאן על כדור הארץ, הפיזיקאים צריכים ליצור מחדש את הטמפרטורות, הצפיפויות והלחצים האדירים ששררו במיקרו-שניות הראשונות. טמפרטורה היא למעשה אנרגיה קינטית ממוצעת של חלקיק, המצוי בין אוסף של חלקיקים דומים, ואילו הלחץ הוא גודל שגדל עם הגדלת צפיפות האנרגיה של אותו אוסף חלקיקים. לכן, החדרת כמות אנרגיה גדולה ככל האפשר לתוך נפח קטן ככל האפשר, תקרב אותנו לשחזור התנאים ששררו במפץ הגדול.

למרבה המזל, הטבע מספק לנו מן המוכן גושים צפופים ביותר של חומר בצורת גרעיני האטומים. לו היה אפשר באופן כלשהו לאסוף די חומר כזה ולמלא בו אצבעון, הוא היה שוקל כ-300 מיליון טונות. כ-30 שנות ניסיון בהתנגשויות של גרעינים כבדים, כמו עופרת וזהב, באנרגיות גבוהות, לימדו שהצפיפויות הנוצרות בהתנגשויות כאלו גדולות בהרבה מאלו של חומר גרעיני רגיל, ושהטמפרטורות הנוצרות הן מעל ל-5 טריליוני מעלות.

בהתנגשות של גרעינים כבדים, שמכילים כ-200 פרוטונים ונויטרונים כל אחד, נוצר גיהינום גדול הרבה יותר מאשר בהתנגשויות של פרוטונים יחידים (התנגשויות בין פרוטונים מקובלות הרבה יותר בניסויים של פיזיקה באנרגיות גבוהות). במקום פיצוץ קטן שבו עפים החוצה כמה עשרות חלקיקים, התנגשויות של יונים כבדים כאלה יוצרות כדור אש המכיל אלפי חלקיקים. מספר החלקיקים המעורבים גדול דיו כדי לתאר את כדור האש על פי תכונותיו הקולקטיביות – הטמפרטורה, הצפיפות, הלחץ והצמיגות שלו – כל אלו נעשים פרמטרים בעלי משמעות. זו היא הבחנה חשובה בדומה להבחנה שבין התנהגותן של כמה מולקולות מים מבודדות לבין התנהגותה של טיפה שלמה.

RHIC הוא המתקן החדשני ביותר ליצירת התנגשויות בין יונים כבדים ולחקירתן. הוא ממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקני ומתופעל על ידי מעבדת ברוקהייבן. מאיצים מולקולריים שקדמו לו היו יורים אלומות של גרעינים כבדים על מטרות מתכת נייחות. RHIC, לעומת זאת, הוא מאיץ חלקיקים שמחולל התנגשות בין שתי אלומות של גרעינים כבדים. ההתנגשויות החזיתיות מייצרות אנרגיות גדולות הרבה יותר מן האנרגיות של החלקיקים עצמם באותה מהירות, מאחר שכל האנרגיה הזמינה מושקעת ביצירת האנדרלמוסיה. האפקט דומה למה שקורה כששתי מכוניות מתנגשות זו בזו התנגשות חזיתית. אנרגיית התנועה שלהן הופכת לאנרגיה התרמית האקראית של חלקים ושברים העפים לכל עבר.

בניסויים הנערכים ב-RHIC, הגרעינים נעים במהירות העולה על 99.99% ממהירות האור, ומגיעים לאנרגיות של 100 מיליארד אלקטרון-וולט (100 GeV) לכל פרוטון או נויטרון שבתוך המאיץ (אנרגיה של 1 GeV היא שוות ערך בקירוב למסה של פרוטון נייח). מהירויות ואנרגיות כאלה מושפעות מאוד מאפקטים יחסותיים. שתי שרשראות העשויות מ- 870 מגנטים מוליכי-על, שמקוררים בעזרת טונות של הליום נוזלי, מכוונות את האלומות סביב שתי טבעות משולבות שגודלן 3.8 ק”מ כל אחת. האלומות מתנגשות בארבע הנקודות שבהן הטבעות חוצות זו את זו. ארבעה גלאי חלקיקים מתוחכמים, הקרויים ברהמס, פניקס, פובוס וסטאר, מקליטים את המידע המתעד את השברים העפים לכל עבר כתוצאה מאותן התנגשויות רבות עוצמה.

כששני גרעיני זהב מתנגשים התנגשות חזיתית באנרגיה הגבוהה ביותר הניתנת להשגה ב-RHIC, הם מרכזים אנרגיה של יותר מ- GeV20,000 לתוך כדור אש מיקרוסקופי שקוטרו כטריליונית הסנטימטר. באופן ציורי אפשר לתאר את הגרעינים ואת מרכיביהם, הפרוטונים והנויטרונים, כאילו הם נמסים, ומכל האנרגיה הזמינה נוצרים עוד הרבה קוורקים, אנטי-קוורקים (חלקיקי אנטי-חומר, בני-הזוג של הקוורקים) וגלואונים. יותר מ-5,000 חלקיקים אלמנטריים משתחררים להרף עין בהתנגשות אופיינית. הלחץ שנוצר ברגע ההתנגשות הוא אדיר, גדול פי 1030 מן הלחץ האטמוספרי, והטמפרטורה בתוך כדור האש נוסקת לטריליוני מעלות.

אך לאחר כ-50 טרילוניות של טריליונית השנייה (10-23X5 שניות) כל הקוורקים, האנטי-קוורקים והגלואונים מתרכבים שוב ויוצרים הדרונים, שעפים החוצה בהתפוצצות לעבר הגלאים שמסביב. בעזרת מחשבים אדירים, נעשה נסיון להקליט מידע רב ככל האפשר על אלפי החלקיקים המגיעים לגלאים. שניים מן הניסויים – ברהמס ופובוס, הם קטנים יחסית ומתרכזים בניתוח מאפיינים ספציפיים של החלקיקים היוצאים מההתנגשות. שני הניסויים האחרים – פניקס וסטאר, בנויים סביב מתקנים ענקיים ורב-תכליתיים הממלאים שלוש קומות של אולמות בטונות של מגנטים, גלאים, בולעי קרינה ומגיני קרינה.

ארבעת ניסויי RHIC תוכננו, נבנו ותופעלו בידי צוותים בין-לאומיים נפרדים, שכל אחד מהם מנה בין 60 ל-500 מדענים ויותר. כל קבוצה נקטה אסטרטגיה שונה כדי להתמודד עם הסיבוכיות העצומה במאורעות הפיזור ב-RHIC. צוות ברהמס בחר להתמקד בשרידים של הפרוטונים והנויטרונים המקוריים, שממשיכים לנוע בקירוב בכיוון תנועתם המקורי של גרעיני הזהב. צוות פובוס, לעומת זאת, מתמקד בגילוי של חלקיקים בטווח זוויתי רחב מאוד ובוחן מתאמים ביניהם. סטאר נבנה סביב “המצלמה הדיגיטלית” הגדולה בעולם – גליל ענק של גז שמספק תמונות תלת-ממדיות של כל החלקיקים הטעונים המשתחררים במתקן גדול המקיף את ציר האלומה. פניקס מחפש את אותם חלקיקים שנוצרו מוקדם בתהליך ההתנגשות ויכולים לצאת ללא פגע מקדרת הקוורקים והגלואונים. כך הוא משמש מעין תצלום רנטגן של קרביו של כדור האש.

הפתעה מושלמת

התמונה הפיזיקלית שעולה מארבעת הניסויים היא עקבית ומפתיעה. הקוורקים והגלואונים אכן משתחררים מן ה”ריתוק” ומתנהגים באופן קולקטיבי, אף כי לשבריר של שנייה. אך מתברר שהתערובת החמה הזאת מתנהגת כמו נוזל ולא כמו הגז האידאלי שצפו התיאורטיקנים.

צפיפויות האנרגיה שהושגו בהתנגשויות החזיתיות שבין גרעיני הזהב הן אדירות – גדולות פי 100 מצפיפות הגרעינים עצמם, בעיקר בזכות אפקטים יחסותיים. מנקודת המבט של המעבדה, שני הגרעינים משוטחים על ידי אפקט יחסותי לדיסקים שטוחים ביותר של פרוטונים ונויטרונים רגע לפני ההתנגשות. לכן כל האנרגיה שלהם דחוסה בנפח קטן מאוד ברגע ההתנגשות. פיזיקאים מעריכים שצפיפות האנרגיה המתקבלת גדולה פי 15, לפחות, מזו הנחוצה כדי לשחרר את הקוורקים והגלואונים. החלקיקים מתחילים לעוף מיד כל עבר, פוגעים זה בזה שוב ושוב וכך גורמים לחלוקת אנרגיה הקרובה יותר להתפלגות תרמית.

אפשר למצוא עדות להיווצרותו של תווך כה חם ודחוס בתופעה הקרויה “מעיכת סילון”. כששני פרוטונים מתנגשים באנרגיות גבוהות, כמה מן הקוורקים והגלואונים שלהם עשויים להיפגש כמעט פנים אל פנים ולהירתע לאחור, דבר שגורם להיווצרות זוג זרמים דקים (סילונים) של הדרונים, היוצאים גב אל גב מנקודת ההתנגשות לכיוונים הפוכים. אבל בגלאים פניקס וסטאר נצפה רק מחציתו של זוג כזה בהתנגשויות בין גרעיני הזהב. הסילונים היחידים מורים על כך שקוורקים וגלואונים אכן מתנגשים באנרגיות גבוהות. אך היכן הסילון השני? נראה שהקוורק או הגלואון שנרתע צלל אל תוך התווך החם והדחוס שנוצר, ושהאנרגיה הגבוהה שלו התפזרה במפגשים עם קוורקים וגלואונים אחרים בעלי אנרגיה נמוכה. הדבר דומה ליריית קליע אל תוך גוף מים. כמעט כל אנרגית הקליע נבלעת על ידי מולקולות המים האיטיות, והוא אינו מצליח לצאת מן הצד השני.

הזרימה האליפטית

רמזים להתנהגות דמוית נוזל של התווך קוורק-גלואון התקבלו כבר בשלבים מוקדמים של הניסוי ב-RHIC, כשנצפתה תופעה בשם “זרימה אליפטית”. בהתנגשויות שבהן שני החלקיקים אינם פוגעים זה בזה בדיוק במרכז – כפי שקורה על פי רוב – ההדרונים תוצרי ההתנגשות מגיעים אל הגלאי בהתפלגות אליפטית. הדרונים אנרגטיים יותר נפלטים בתוך מישור ההתנגשות יותר מאשר בניצב לו. ההתנהגות האליפטית מעידה על כך שהפרשי לחץ ניכרים פעלו על התווך קוורק-גלואון, ושאותם קוורקים וגלואונים שמהם נוצר ההדרון, התנהגו באופן קולקטיבי, לפני ששבו ליצור את ההדרון. הם התנהגו כולם כנוזל ולא כגז. אילו היה זה גז, היו ההדרונים נפלטים בהתפלגות אחידה לכל הכיוונים.

ההתנהגות הנוזלית של התווך קוורק-גלואון מעידה על כך,שהאינטראקציות בינם לבין עצמם ברגעי השחרור המשכרים מיד לאחר היווצרותם היו חזקות, באופן יחסי. אף על פי שהאינטראקציות ביניהם נחלשות (בשל החופש האסימפטוטי בכרומודינמיקה הקוונטית), נראה שהשפעת ההיחלשות נבלמת בשל הגידול הדרמתי במספר החלקיקים החדשים שהשתחררו. כאילו אותם חלקיקים כבולים הצליחו סוף סוף להשתחרר מתאי כלאם, רק כדי לגלות שהם לכודים בים של אסירים נוספים המצטופפים בחצר הכלא.

המצב החדש שנוצר, שבו הצימוד כה גדול, הוא בדיוק מה שקורה בנוזל. יש כאן ניגוד עמוק לתמונה התיאורטית הנאיבית שהצטיירה תחילה של תווך דמוי גז שבו מתקיימות אינטראקציות חלשות – כמעט גז אידאלי. המאפיינים המדויקים של אותה א-סימטריה אליפטית מעידים על כך שנוזל זה הוא כמעט חסר צמיגות. זהו כנראה הנוזל המושלם ביותר שנצפה אי פעם.

חישוב התגובות החזקות המתרחשות בנוזל של קוורקים וגלואונים, שנדחסים לצפיפות בלתי נתפסת כמעט, ומתפוצצים החוצה במהירויות הקרובות למהירות האור, הוא אתגר לא פשוט. גישה אחת לבעייה היא “ללכת עם הראש בקיר” ולחשב את הפתרונות של הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD) תוך שימוש במערכים אדירים של מעבדים ייעודיים למשימה זו. בגישה זו, הקרויה גישת “שריג QCD” המרחב מקורב על ידי שריג של נקודות בדידות. סדרה של קירובים חוזרים ונשנים על השריג, מביאים את המדענים קרוב יותר ויותר אל הפתרונות המדויקים של משוואות QCD. בעזרת טכניקה זו, תיאורטיקנים הצליחו לחשב גדלים כמו הלחץ וצפיפות האנרגיה כפונקציה של הטמפרטורה. מתברר ששניהם גדלים באופן דרמתי כשההדרונים הופכים לתווך קוורק-גלואון. אולם החיסרון הבולט של השיטה הוא, שהיא מתאימה למצבים סטטיים, כשהתווך מצוי בשיווי משקל תרמודינמי, ולא לתנאים המשתנים במהירות ב”מיני-מפצים” הנוצרים ב-RHIC.

אפילו החישובים המתוחכמים ביותר בשיטת שריג ה-QCD לא הצליחו לקבוע תכונות דינמיות כמו את מעיכת הסילון או את הצמיגות. אמנם צמיגותה של מערכת חלקיקים באינטרקציה חזקה צפויה להיות נמוכה, אך היא אינה יכולה להיות בדיוק אפס, משיקולים של תורת הקוונטים. השאלה: “כמה קטנה יכולה להיות הצמיגות?” התבררה כשאלה קשה במיוחד.

הישועה הגיעה מכיוון לגמרי בלתי צפוי: תורת המיתרים של הכבידה הקוונטית. השערה מסעירה של התיאורטיקן חואן מלדסנה מן המכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון שבניו ג'רזי, קשרה באופן מפתיע בין תורה של מיתרים במרחב חמישה-ממדי, לבין תורה דמוית QCD של חלקיקים המצויים בארבעה ממדים, אותם ארבעה ממדים המשמשים מעטפת למרחב החמישה-ממדי. שתי התיאוריות שקולות מבחינה מתמטית, אף על פי שלכאורה הן מתארות שני תחומים שונים מאוד בפיזיקה.

כשהכוחות ב-QCD נעשים חזקים, האינטרקציות בתורת המיתרים המתאימה לה נעשות חלשות דווקא, ולכן קלות יותר לחישוב. לתכונות כמו צמיגות, שקשות מאוד לחישוב ב-QCD, יש מקבילות בתורת המיתרים שקל להעריך הרבה יותר (במקרה זה המקבילה לצמיגות בתורת המיתרים היא בליעה של גלי כבידה על ידי חור שחור). בעזרת גישה זו אפשר למצוא את החסם התחתון (הערך הקטן ביותר האפשרי) של הצמיגות הסגולית שגודלו כעשירית מצמיגותו של הליום נוזלי. ייתכן מאוד שתורת המיתרים תצליח לסייע לנו להבין את התנהגותם של קוורקים וגלואונים במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול.

האתגרים לעתיד

באופן מפתיע, התברר שהחומר החם והצמיג כל כך שנתקלנו בו, הוא הקרוב ביותר מכל הנוזלים המוכרים לשלמות. האתגר הניסיוני החדש העומד לפני הפיזיקאים ב-RHIC הוא להבין כיצד ומדוע מתרחשת תופעה זו. עושר הנתונים הזורמים מן הניסוי כבר מאלץ את התיאורטיקנים לבחון מחדש כמה רעיונות מקובלים באשר לחומר ביקום הקדום.

בעבר, רוב החישובים התייחסו אל הקוורקים והגלואונים החופשיים כאל גז אידאלי ולא כאל נוזל. תאוריית ה-QCD והחופש האסימפטוטי אינם בסכנה – שום תוצאה נסיונית אינה עומדת בסתירה למשוואות הבסיסיות. מה שנתון לוויכוח הוא הטכניקות וההנחות המפשטות, שבהן השתמשו התיאורטיקנים כדי להסיק מסקנות מאותן משוואות.

כדי לעמוד על שאלות אלו, מנסים כעת החוקרים ללמוד יותר על סוגים שונים של קוורקים הנפלטים בתהליכי הפיזור, ובייחוד על הקוורקים הכבדים. כשחזו לראשונה את קיומם של הקוורקים, בשנת 1964, חשבו שהם יופיעו בשלוש גרסאות: מעלה (up), מטה (down) ומוזר (strange). שלושת הסוגים האלה, שמסת כל אחד מהם קטנה מ-GeV 0.15, נוצרים ונהרסים, יחד עם בני זוגם האנטי-קוורקים, במספרים שווים בהתנגשויות ב-RHIC.

שני קוורקים נוספים – קסם (charm) ותחתית (bottom), התגלו בשנות ה-70. המסות שלהם גדולות הרבה יותר: כ-GeV 1.6 ו-GeV 5 בהתאמה. בשל המסות הגדולות, דרושה אנרגיה רבה יותר כדי ליצור אותם (בהתאם לשקילות בין מסה לאנרגיה: E=mc2), והם נוצרים רק בשלבים המוקדמים של המיני-מפצים (כשצפיפויות האנרגיה גבוהות יותר) ובתדירות קטנה יותר. נדירותם הופכת אותם למקור מידע חשוב לגבי תבניות הזרימה ולגבי תכונות נוספות המאפיינות את השלבים המוקדמים של אותו מיני-מפץ.

ניסויי פניקס וסטאר מתאימים לבחינה מדוקדקת כזו, מאחר שהם מסוגלים לגלות אלקטרונים וחלקיקים אחרים הקרויים מיואונים בעלי אנרגיות גבוהות, שלרוב נוצרים בתהליכי דעיכה של הקוורקים הכבדים. הפיזיקאים משחזרים אחורה את תנועתם של חלקיקים אלו, ושל תוצרי דעיכה אחרים, אל נקודת המקור. כך הם משיגים מידע חיוני על הקוורקים הכבדים שיצרו אותם. ייתכן שלקוורקים הכבדים יש תבניות זרימה והתנהגויות שונות מאלו של קרוביהם הקלים והנפוצים יותר. מדידה של אותם הבדלים יכולה לסייע לנו לבחון את ערכי הצמיגות הזעירה שנחזו.

חלקיקים “מתמוססים” בנוזל

לקוורקים מסוג קסם יש תכונה נוספת שמסייעת בבחינת התווך קוורק-גלואון. בדרך כלל כאחוז אחד מהם נוצרים בצימוד עם אנטי קוורק קסם, ויוצרים חלקיק ניטרלי הקרוי J/psi. המרחק בין בני הזוג הוא רק כשליש מרדיוס הפרוטון, ולכן קצב היצירה של J/psi צריך להיות מושפע מן הכוח שבין שני קוורקים במרחקים קצרים. התיאורטיקנים מצפים שכוח זה ידעך, בשל המיסוך שיוצר ים הקוורקים הקלים והגלואונים שמסביב, דבר שיוביל להאטת קצב הייצור של J/psi.

תוצאות שהתקבלו לאחרונה בפניקס אכן מראות, שחלקיקי J/psi “מתמוססים” בנוזל, בדומה לתצפיות מוקדמות יותר ב-CERN, המעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים שעל יד ז'נבה. למעשה, מדענים ציפו להאטה גדולה יותר בקצב ייצור ה-J/psi ב-RHIC, בשל הצפיפויות הגבוהות. אך תוצאות ראשוניות מעידות על קיומו של מנגנון מתחרה, כמו יצירה מחדש של חלקיקי J/psi בצפיפויות כאלה. מדידות נוספות יתמקדו בתעלומה זו על ידי חיפוש של זוגות נוספים של קוורקים כבדים ומדידה של ההאטה בקצב הייצור שלהם.

ויש עוד גישה לשאלה: לנסות לראות את נוזל הקוורקים והגלואונים בעזרת האור שלו עצמו. מרק חם של חלקיקים כאלה אמור לזרוח לזמן קצר, בדומה למכת ברק, מאחר שהוא פולט פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות, שיוצאים מן התווך. כשם שהאסטרונומים מעריכים את הטמפרטורה של כוכב מרוחק מתוך ספקטרום פליטת האור שלו, כך גם הפיזיקאים מנסים להשתמש בפוטונים האנרגטיים כדי להעריך את הטמפרטורה של הנוזל קוורק-גלואון.

הבעיה היא, שמדידת הספקטרום הזה קשה במיוחד, מכיוון שפוטונים רבים אחרים נוצרים ונפלטים גם הם בתהליכי דעיכה של הדרונים מסוג פָּיונים ניטרליים. למרות שהפוטונים האלה נוצרים הרבה אחרי שהנוזל קוורק-גלואון נעלם והפך להדרונים, הם נראים זהים בהגיעם לגלאים.

פיזיקאים רבים מתכוננים עכשיו לחזית הבאה באנרגיית החלקיקים – זו של מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) ב-CERN. במאיץ שאמור להתחיל לפעול בשנת 2008, יתחוללו התנגשויות בין זוגות של גרעיני עופרת שהאנרגיה המשותפת שלהם תהיה יותר ממיליון GeV. צוות בין-לאומי של יותר מ-1,000 פיזיקאים עוסק בבניית הגלאי האדיר “אליס”, שישלב את היכולות של הגלאים פניקס וסטאר בניסוי אחד. המיני-מפצים שייווצרו ב-LHC, יגיעו לשבריר של שנייה לצפיפויות אנרגיה הגדולות פי כמה מאלו שב-RHIC, והטמפרטורות בהם יעלו בנקל מעל 10 טריליון מעלות. הפיזיקאים יוכלו אפוא לדמות ולחקור את התנאים ששררו במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול.

השאלה המתבקשת היא: “האם ההתנהגות דמוית הנוזל שנצפתה ב-RHIC תוסיף להופיע גם בטמפרטורות ובצפיפויות האנרגיה הגבוהות יותר ב-LHC?” כמה תיאורטיקנים סבורים שהכוח שבין הקוורקים ייחלש כשהאנרגיה תעלה על GeV 1, כפי שיתאפשר ב-LHC, ושפלזמת הקוורק-גלואון תתחיל סוף כל סוף להתנהג כיאות – כמו גז, בהתאמה לציפיות המוקדמות. תיאורטיקנים אחרים אופטימיים פחות. הם סוברים שכוח ה-QCD אינו יכול לקטון מהר כל כך באנרגיות שבהן מדובר, ולפיכך הקוורקים והגלואונים יישארו מצומדים בצורת הנוזל. בסוגיה זו, אנו נאלצים לחכות לפסק הדין של הניסוי, שעשוי לטמון בחובו הפתעות נוספות.

התנגשויות וגילוי חלקיקים

RHIC מורכב משתי טבעות בגודל 3.8 ק”מ (באדום ובירוק), או נתיבי אלומות, שמאיצים גרעיני זהב וגרעינים כבדים אחרים למהירות של 99.99% ממהירות האור. נתיבי האלומות חוצים זה את זה בשישה מקומות. בארבעה מהם מתנגשים הגרעינים באופן חזיתי, ונוצרים מיני-מפצים המחקים את התנאים ששררו במפץ הגדול שיצר את היקום. הגלאים, ששמותיהם ברהמס, פניקס, פובוס וסטאר, מנתחים את מסלולי החלקיקים העפים החוצה במהלך ההתנגשויות.

מיני-מפצים

ב-10 המיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול, הכיל היקום חלקיקים יסודיים הקרויים קוורקים וגלואונים בערבוביה נוראית. מאז אותה תקופה, קוורקים וגלואונים נעשו כלואים בתוך פרוטונים ונויטרונים המרכיבים את גרעיני האטומים. במשך 5 השנים האחרונות, ניסויים במאיץ היונים הכבדים היחסותי (RHIC) יצרו מחדש את אותה פלסמת קוורק-גלואון בקנה מידה מיקרוסקופי על ידי התנגשויות של גרעיני זהב זה בזה במהירויות הקרובות למהירות האור. להפתעתם הגדולה של הפיזיקאים, התווך שנוצר במפצי המיני הללו דומה לנוזל מושלם יותר משהוא דומה לגז. התוצאות מורות על הצורך להעריך מחדש מקצת המודלים של היקום הקדום.

מיני-מפץ מהחל עד כלה

RHIC יוצר תנאים הדומים למיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול על ידי התנגשויות של גרעיני זהב במהירויות הקרובות למהירות האור. בכל התנגשות, או מיני-מפץ, יש סדרת שלבים, ונוצר לשבריר של שנייה כדור-אש מתפשט של גלואונים (ירוק), קוורקים ואנטי-קוורקים. הקוורקים והאנטי-קוורקים הם בעיקר מסוג מעלה (up), מטה (down) ומוזר (strange) (כחול) ורק מעטים הם מסוג קסם (charm) ותחתית (bottom) (אדום). כדור האש מתפרק לבסוף להדרונים (אפור), שמגיעים לגלאי יחד עם פוטונים ותוצרי דעיכה אחרים. המדענים לומדים על תכונותיו הפיזיקליות של התווך קוורק-גלואון מתוך תכונות החלקיקים שמגיעים לגלאי.