הבחירה הקשה בנובל בפיסיקה: מגלי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש או חוזי קיומו של בוזון היגס?

ובנוסף אליהם מומד גם מי שגילה מוליכי-על המבוססים על היסוד ברזל או אולי אף אחד מהם? בשבוע הבא נדע

המועמדים לפרס נובל בפיזיקה לשנת 2013
1. כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש
ג’פרי מרסי, פרופסור לאסטרונומיה, אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, קליפורניה, ארה”ב, מישל מיור, פרופסור אמריטוס, אוניברסיטת ג’נבה, ג’נבה, שווייץ ודידיה קלוז, Queloz, פרופסור, אוניברסיטת קיימברידג’, קיימברידג’, אנגליה, הממלכה המאוחדת ופרופסור באוניברסיטת ג’נבה, ג’נבה, שווייץ שלושת החוקרים מועמדים לזכייה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 על: “גילויים של כוכבי לכת חוץ-שמשיים”.
מזה מאות בשנים שהוגי דעות התחבטו בשאלה הפילוסופית באשר להיתכנות קיומם של עולמות הראויים לאכלוס אנושי ואשר נמצאים מחוץ למערכת השמש. קופרניקוס וגלילאו הפכו את ריבוי העולמות לרעיון מתקבל על הדעת, אשר מצא לו חסידים מושבעים בדמות הפילוסוף ג’ון לוק, האסטרונום ויליאם הרשל, המדען המוכר בנג’מין פרנקלין ואצל הוגי דעות דגולים אחרים. יחד עם זאת, כוכבי לכת חוץ-שמשיים, או כפי שהם מכונים ‘אקסו-פלנטות’, הם כה זעירים וכה חיוורים באורם הנפלט בהשוואה לכוכבי-האב שלהם עד כי הקיום שלהם היה לא יותר מהשערה משעשעת.

בשנת 1995 הכריזו המדענים Michel Mayor ו- Didier Queloz מאוניברסיטת ג’נבה על גילויה של אקסו-פלנטה מסיבית החגה סביב הכוכב 51 Pegasi, הנראה בעין בלתי מזוינת בתנאים של שמיים אפלים מאוד. על מנת לגלות את כוכב הלכת, החוקרים השתמשו בשיטת המהירות הרדיאלית: כוכב לכת הנע במסלולו גורם לכוכב האב שלו לבצע היסט קטן מסביב למרכז המסה של המערכת, כאשר סיבוב זה ניתן לגילוי ע”י תוצא דופלר. עבור הכוכב 51 Pegasi, ערך הסטייה הוא כמאה מטרים לשנייה. כוכב הלכת הגורם להפרעה זו משלים את מסלולו תוך 4.2 ימים בלבד. אימות התגלית הגיע מצדו של Geoffrey Marcy, אשר הצליח לקבל את הספקטרומים של המערכת במצפה הכוכבים ליק שבקליפורניה.

Marcy ועמיתיו גילו את מספר האקסו-פלנטות הגדול ביותר בהשוואה לכל צוות מחקר אחר. הממצאים הבולטים של קבוצת המחקר שלו כוללים את המערכת הרב-פלנטית הראשונה שהייתה הכוכב הכפול (בינארי) ‘אפסילון’ בקבוצת הכוכבים ‘אנדרומדה’ ואת כוכבי הלכת הראשונים שגודלם קרוב לגודלם של כוכבי הלכת שבתאי וצדק. Marcy הוא חוקר-שותף במשימת החלל קפלר של נאס”א שהצליחה לגלות אלפים אחדים של כוכבים בעלי אקסו-פלנטות. הממצאים שעברו אימות כוללים כוכבי-לכת דמויי כוכב הלכת ארץ (כדור-הארץ) הנמצאים באזור הישיב של כוכבי האב שלהם. התגליות של Marcy מרמזות כי גלקסיית שביל החלב כוללת בתוכה לפחות 100 מיליארדי אקסו-פלנטות.

2. מוליכי-על המבוססים על היסוד ברזל
הידאו הוסונו, פרופסור במעבדה לחומרים ולמבנים ומנהל מרכז מחקר החומרים לאסטרטגיית היסודות, המכון טכנולוגי של טוקיו, יוקוהמה, יפן. החוקר מועמד לזכייה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 על: “גילויים של מוליכי-על מבוססי-ברזל”.

במוליכי-על ההתנגדות החשמלית צונחת בפתאומיות לאפס כאשר טמפרטורת החומר יורדת מתחת לטמפרטורה הקריטית (Tc). את התופעה הזו גילה בשנת 1911 הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אוונס (Heike Kamerlinge Onnes) כאשר הוא מדד את המוליכות של תיל כספית מוצק שנטבל בתוך הליום נוזלי. עשורים רבים לאחר מכן עוד האמינו הפיזיקאים כי הטמפרטורה הגבוהה ביותר של מוליכות-על תהיה בסביבות 30 מעלות קלווין (מינוס 243.15 מעלות צלזיוס) בלבד.

הכל השתנה בשנת 1986 עם הגילוי של מוליכי-על המורכבים מחומרים קרמיים מבוססי נחושת (Cuprates). לחומרים אלו יש מבנה מורכב כאשר הרכיב העיקרי שבו הוא שכבה מוליכת-על של תחמוצת נחושת. מוליך-העל המפורסם ביותר מבין משפחת חומרים זו הוא החומר תחמוצת נחושת-איטריום-באריום [YBa2Cu3O7] בעל טמפרטורה קריטית שהיא גבוהה מהטמפרטורה של 77 מעלות קלווין (בסביבות מינוס 196 מעלות צלזיוס), שהיא נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי. גילויו של חומר זה סלל את הדרך ליישומים בקנה מידה גדול, כדוגמת כבלי החשמל המוליכים זרם גבוה המשמשים במאיץ החלקיקים הממוקם במרכז המחקר CERN על גבול שווייץ-צרפת.
הגילוי של תחמוצות נחושת בעלות טמפרטורה קריטית גבוהה האיץ מאמץ מחקרי נמרץ לגביי מערכות מרובדות המכילות יונים של מתכות מעבר שאינן נחושת. מאמץ זה אומנם הוביל לגילויים של מספר מוליכי-על, אולם בכולם הייתה הטמפרטורה הקריטית הרבה מתחת לאלו שנמצאו בתחמוצות הנחושת.
בשנת 2008 Hideo Hosono ועמיתיו נתקלו בגילוי אקראי של סוג חדש לחלוטין של משפחת חומרים מוליכי-על שלה ניתן השם oxypnictide: תרכובת מרובדת של תחמוצת ברזל-לנתן-ארסן [LaAsFeO] המאולחת בפלואור ובעלת טמפרטורה קריטית של 26 מעלות קלווין (בסביבות מינוס247.15 מעלות צלזיוס). גילוי זה נעשה במהלך מחקרם על אודות שיפורים במוליכים-למחצה שקופים המבוססים על תחמוצות מתכת שנדרשו בתחום ההתקנים הפוטווולטאיים, אולם הם הביאו לפריצת דרך בגילויים את מוליך-העל המרובד הראשון המבוסס על המתכת ברזל. מדענים בתחום החומרים ביטלו את האפשרות למוליכות-על המבוססת על ברזל לאור טיעונם כי המומנט המגנטי הגדול של ברזל יהיה הרסני לזוגות האלקטרונים של הנחושת האחראים למוליכות-העל. הגילוי הביא לפרץ של פעילות בתחום של מוליכי-על מבוססי-ברזל, ותוך מספר חודשים הטמפרטורה הקריטית הגבוהה ביותר שנמדדה עמדה על 50 מעלות קלווין (בסביבות מינוס223.15 מעלות צלזיוס).

3. בוזון בראוט-אנגלרט-היגס
פרנסואה אנגלרט, פרופסור אמריטוס, האוניברסיטה החופשית של בריסל (ULB), בריסל, בלגיה, ופרופסור אורח במכון למחקרים קוונטים, אוניברסיטת צ’פמן, אורנג’, קליפורניה ארה”ב ופיטר היגס, פרופסור אמריטוס, אוניברסיטת אדינבורג, סקוטלנד, הממלכה המאוחדת שני החוקרים מועמדים לזכייה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 על: “תחזיותיהם באשר לאפשרות קיומו של בוזון בראוט-אנגלרט-היגס”.

בשנת 1964 הפיזיקאים התיאורטיקאים פרנסואה אנגלרט ורוברט בראוט מהאוניברסיטה החופשית של בריסל ופיטר היגס מאוניברסיטת אדינבורג הציעו, בנפרד, פתרון לשאלה הגדולה: מה מקנה ומעניק לחומר את המסה שלו? חידה כבדת משקל זו נמצאת בליבו של המודל הסטנדרטי בתחום פיזיקת החלקיקים לאור העובדה כי ככל שמסתו של החלקיק גדולה יותר כך הוא מגיב עם חלקיקים וכוחות אחרים לאורך טווח קצר יותר.

גרסה בסיסית של תיאוריית פיזיקת החלקיקים גורסת כי החלקיקים המכונים בוזונים, אשר אחראים ליחסי הגומלין של הכוח החלש, אמורים להיות חסרי מסה. אולם, נראה כי אין הדבר כך: בוזוני W ו- Z שנתגלו הם בעלי מסה הגדולה פי מאה מהפרוטון, מסה הגדולה אפילו ממסת אטום הברזל.

אין זה בלתי רגיל שחוק פיזיקלי מופרך מכיוון שההשערה שנקבעה באשר לתנאי הסימטריה או הסף שלו אינם מתקיימים עוד, או מנקודה מסוימת. לדוגמה, חוקי ניוטון מפסיקים להתקיים במהירויות בהן השפעות היחסיות מתחילות להיות משמעותיות. מצב זה הוביל פיזיקאים להבין כי בתנאים מסוימים יוכל להתקיים מנגנון המבטל את השפעותיהם של חוקי הסימטריה בתחום פיזיקת החלקיקים.

החוקרים בראוט ואנגלרט עשו את הצעד הראשון באוגוסט של שנת 1964 כאשר הם הראו כי לבוזונים תוכל להיות מסה במידה ולחלל בו הם נמצאים מגיח סוג בלתי-רגיל של שדה כוח הגורם לשבירת הסימטריה השולטת על הכוח הגרעיני החלש. המאמר הקצר שלהם הראה כי במקרה של שבירת סימטריה השדה הנוצר לא יוביל בהכרח לחלקיקים חסרי מסה דווקא.

בחודש אוקטובר אותה השנה (1964) החוקר היגס הגיע לאותה המסקנה, באופן נפרד, תוך שימוש בתיאוריה הקלאסית.
מנגנון היגס הוא מודל תיאורטי המתאר את התהליך שבאמצעותו חלקיקים יסודיים משיגים לעצמם מסה. הם עושים זאת באמצעות תגובתם עם שדה היגס הנמצא בכל רחבי החלל. בהערת אגב, היגס ציין כי מסקנותיו באשר למנגנון בו חלקיקים משיגים מסה הן השערות בלבד. יחד עם זאת, הוא חזה את קיומו של בוזון בעל מסה וספין אפס.

גילויו של בוזון בראוט-אנגלרט-היגס יוכיח כי המודל הסטנדרטי אכן נכון. אולם, נדרשו לחלוף ארבעה עשורים שלמים מרגע התחזית ועד לגילויו המעשי, ככל הנראה, במאיץ החלקיקים הגדול בשווייץ.
הערה – בשנה שעברה מת המדען בראוט ולכן הוא אינו מועמד לפרס הנובל.

המקור לידיעה