רשמי סיור ב-CERN חלק ב’: הדלת המובילה אל המפץ הגדול

LHCb הוא אחד מארבעת הניסויים ב-CERN, המתמחה בגילוי אנטי חומר שנוצר לאחר התנגשויות הפרוטונים במאיץ ה-LHC. רשמי סיור במעמקי האדמה. כתבה שניה בסדרה.

זו הדלת המוליכה אל המפץ הגדול – כך הגדיר פרופ’ ריצ’ארד ג’ייקובסון, חוקר בניסוי LHCb דלת ברזל צהובה, 100 מטר מתחת לפני האדמה באיזור כפרי בצרפת, מתחת להרי היורה, שבראשיהם עדיין רואים שאריות שלג בתקופה זו של השנה (29 באפריל 2014).

הסיור, בו השתתפו עיתונאים ישראלים שהגיעו ל-CERN במשלחת שארגנה האקדמיה הלאומית למדעים ואמנויות, בעקבות הצטרפותה של ישראל כחברה מלאה ב-CERN.

LHC נועד לענות על שתי שאלות בסיסיות – האחת מהם המרכיבים הבסיסיים ביותר של החומר, והשאלה השניה היא להבין כיצד הם מתקשרים זה עם זה, מהו הדבק המחזיק את כל היקום ביחד. המבנה המוכר לנו של חלקיקים וכוחות לא היה תמיד במצב הנוכחי. כשאנו ‘הולכים’ אחורנית בזמן, אנחנו מגיעים לתקופה שבה הכל היה דחוס יותר והכוחות היו אחרים. אנחנו בסרן לא רק מבקשים לבחון את היקום, את זה עושים בטלסקופים, אלא אנו מנסים לשחזר את התנאים המוקדמים.
כידוע גם בטלסקופים אנחנו יכולים להסתכל אחורנית בזמן. כשאנו מסתכלים על השמש, אנו רואים אותה באיחור של שמונה דקות. הכוכב הבא נמצא במרחק של ארבע שנות אור, כדי לצפות בגלקסיה הקרובה ביותר אנחנו צריכים להסתכל 2 מיליון שנים לעבר. אבל יש בעיה, כשמסתכלים בטלסקופ, ניתן להניח שאפשר להסתכל אחורנית עד המפץ הגדול שהדיו רודפים אחרינו עד היום. ואולם יש בעיה קטנה. בתקופה שהתרחשה כ-380 אלף שנים לאחר המפץ הגדול יש סוג של חומה. עד לאותה נקודה, אין בעיה ‘לנוע אחורנית בזמן’, משום שהיקום שקוף, אך לפני שהיה בן 380 אלף שנה היקום למעשה אטום. אם מסתכלים על אותה תקופה פשוט רואים כתם מטושטש של חומר. מידות החום של היקום באותה התקופה היו כ-3,000 מעלות. כולנו מכירים את התמונה הזו האליפטית המכונה “המונה ליזה של היקום”. את זה אנו מכנים בשם “קרינת הרקע הקוסמית” ואנו רואים אותה כל הזמן בעיתונים. זה צילום של הרגע בו האור החל לנוע בחופשיות. הקרינה מקיפה אותנו ונמצאת בכל מקום. לפיכך איננו יכולים להתבונן בטלסקופ. כל מה שאנחנו יכולים להגיד הוא שאלו התכונות של היקום היום, ושהיסודות לתכונות אלה היו חייבות להיות מונחים בשלב הרבה יותר מוקדם.

לכן אין ברירה אלא לנקוט בצעד של שחזור התנאים ששררו ביקום המוקדם. אנו יודעים שהלחץ והטמפרטורה היו גבוהים. כדי לחקות את התנאים הללו אני נדרש להשתמש במאיץ. אני מאיץ שתי אלומות חלקיקים, מטיח אותם זה בזה, ואני מקבל בדיוק את אותם תנאים שבהם חלקיקים התנגשו ביקום המוקדם. ככל שהאנרגיה של ההתנגשות גבוהה יותר, כך הטמפרטורה גבוהה יותר ואנו יכולים לחקות אירועים שהתרחשו מוקדם יותר בזמן. אנו בוחנים אילו סוגים של חלקיקים נוצרים כתוצאה מההתנגשויות הללו ואילו סוגים של כוחות שלטו בהתנהגותם. ניתן להגדיר את ה-LHC כמכונת זמן.

האנרגיה של ה-LHC היא כזו שבמהלך התנגשויות אנו מקבלים מידות חום שווי ערך לפי מיליארד פעמים הטמפרטורה במרכז השמש. במרכז השמש שוררת טמפרטורה של 10 מיליון מעלות. זו טמפרטורה טיפוסית ויש כוכבים רבים שזו מידת החום במרכזם. יש אפילו כוכבים שמידת החום במרכזם מגיעה ל-100 מיליון מעלות. ביקום המוקדם שררו מידות חום חזקות פי מיליארד מזה, ואותם אנחנו משחזרים ב-LHC. כזכור, בתקופה שבה כבר ניתן לראות את היקום, בגיל 380 אלף שנה, הוא כבר התקרר לטמפרטורה של 3,000 מעלות. מידת החום שאני מדבר עליה שררה אחד חלקי מאה של מיליארדית השניה לאחר המפץ הגדול, כלומר אם אתה לוקח שניה ומחלק אותה למאה מיליארד יחידות קטנות, הרגע שאנו חוקרים הוא היחידה הראשונה מתוכן. זה מאוד קרוב למפץ הגדול, אך המפץ הגדול היה עידן שבו דברים קרו מאוד מאוד מהר. משהו קרה כל שבריר של מיליארדית שניה. מטרת ה-LHC היא לשוב לאותו רגע שאם ממצמצים מחמיצים אותו.”

“המעניין הוא שיש לנו תיאוריות, שלא רק מסבירות מה אירע אלא גם חוזים מה צריך היה לקרות בהמשך. יש לנו הבנה טובה מאוד כיצד היקום התנהג באותם רגעים ומאותו רגע והלאה, למשל מיקרו שניה לאחר המפץ הגדול התרחש התהליך בו נוצרו הפרוטונים והניוטרונים. שלוש דקות לאחר המפץ הגדול כבר נוצר הגלעין הראשון, האטום הראשון נוצר 380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול, הכוכבים הראשונים נוצרו חצי מיליארד עד מיליארד שנה לאחר המפץ הגדול, הגלקסיות נוצרו זמן קצר לאחר מכן, אבל כדי לדעת את המקור לכל זה אנו צריכים לחזור אחורנית כדי לשחזר את הזמן שבו הונחו היסודות לדברים שנוצרו מאות מיליוני שנה ומיליארדי שנה לאחר מכן.”

“אחד הדברים הללו הוא המסה, בשנות השישים חזו כמה אנשים קיומו של מנגנון שבאמצעותו הטבע נותן לעצמים סוג של מסה שעוצרת אותם מלנוע במהירות האור, כוח בסיסי ביקום שאיפשר יצירת עצמים מורכבים כמו גוף האדם, כוכבי לכת וכוכבים. חזו זאת לפני עשרות שנים ולפני שנתיים חזינו את החלקיק שמאפשר זאת, והוא בדיוק בעל התכונות החזויות.”

בחיפוש אחר האנטי חומר

“כשברשותנו המידע הזה אנחנו מחפשים תשובות לשאלות נוספות חשובות, אחת מהן היא החומר האפל, ואנו נחפש כעת חלקיקים שישפכו אור על החומר האפל.
התפקיד של ה-LHCb הוא לחקור את מה שמכונה אנטי חומר. כשאנו מסתכלים על היקום היום, איננו רואים כלל אנטי חומר. ואולם אין משמעות הדבר שאנטי חומר הוא יציר המדע הבדיוני. ניתן לייצר אותו, לחקור אותו, לראות כיצד הוא מתנהג, אך הוא אינו קיים בטבע. אין אף כוכב, או כוכב לכת המורכב מאנטי חומר. הוא חייב היה להיעלם. ואולם כאשר אני מפעיל אנרגיה במאיץ, אני תמיד מייצר כמות זהה של חומר ואנטי חומר, אך אני רואה שבהתפתחות שלהם הם מתנהגים אחרת. במידה מסוימת, הטבע מתייחס לאנטי חומר באופן שונה מאשר בחומר במספר קטן של מקרים ואנחנו לא מכירים במלואה את הסיבה לכך. ההבדלים הקטנים בתכונות החומר והאנטי חומר לא יכולים להסביר מדוע נעלם כל האנטי חומר ביקום בשבריר השניה הראשון של היקום והותיר רק את החומר.

בתשובה לשאלת אתר הידען, האם האנטי חומר מתחבא ב-95% (מרכיבי היקום שאינם חומר רגיל – קרי החומר האפל והאנרגיה האפלה א.ב.), אמר ג’ייקובסון: “זו אחת האפשרויות, וניתן לומר שיתכן שאנחנו ביקום נדיר שבו החומר עף לכיוון אחד והאנטי חומר עף לכיוון השני אבל אחרי 14 מיליארד שנה היית מצפה לראות סימן כלשהו לתערובת בין חומר ואנטי חומר וכמובן היית מצפה לראות התנגשויות שלהם שגורמים לאיון שני החלקיקים ולצורה של קרינה שהיינו חשים בה במכשירינו.

צילום: אבי בליזובסקי

באותו הנושא באתר הידען:

• מנכ”ל Cern רולף הוייר: החלום שלי הוא שנמצא את החלקיק הראשון של החומר האפל. כתבה ראשונה בעקבות סיור במתקני Cern
• LHCb אישר קיומו של הדרון אקזוטי
• העתיד הזוהר של היקום האפל
• מנכ”ל CERN בטקס צירוף ישראל לארגון: לישראל ול-CERN עבר עשיר של שיתוף פעולה

“היו אירועים שנחשדו כאיון של חומר ואנטי חומר, אך בדיקה מהירה של הספקטרום שמגיע מאירועים אלה הוכיחה שלא מדובר באיון בין חומר לאנטי חומר. ל- LHCb יש תוכנית מסודרת כדי לנסות לאפיין טוב יותר את ההבדלים הקטנים בין חומר לאנטי חומר. הגלאי שלנו מאפשר לקלוט חומר ואנטי חומר וללמוד את האבולוציה של שניהם. במהלך פיקו שניה לערך אנו מחפשים דרך לאתר את ההבדלים בהתנהגות. אנחנו בוחנים את כל סוגי החומר והאנטי חומר, אך המעניינים שבהם הוא קווארק היופי ואנטי קווארק יופי, וגם בקווארק קסם ובאנטי קווארק קסם. כמובן שאנו מתעניינים בכולם, אך אלו הקווארקים והאנטי קווארקים הכבדים ביותר ואנו בטוחים שהם היו קיימים מאה מיליארדית השניה לאחר המפץ הגדול.” מסכם ג’ייקובסון.

לאחר הקדמה זו ירדנו אל הדלת הצהובה, בעומק 107 מטרים מתחת לפני האדמה, כדי לראות את המתקן, ותוכלו להתרשם ממנו בעיקר בגלריית התמונות המצורפת לכתבה זו.