גדול יותר,
חזק יותר, מאיץ יותר

המרכז האירופי למחקר גרעיני (CERN) הודיע על כוונתו לבנות מאיץ חלקיקים חדש, גדול פי ארבעה מהמאיץ הנוכחי וחזק ממנו פי שישה. העלות הצפויה של המיזם חסרת תקדים: כ-20 מיליארד יורו.

מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם כיום, LHC (ראשי תיבות של Large Hadron Collider), נמצא בגבול שוויץ-צרפת, סמוך לז'נבה. במנהרה מעגלית שאורכה 27 ק"מ, בעומק של כמאה מטר מתחת לפני האדמה, החוקרים מאיצים שתי אלומות של פרוטונים זו כלפי זו. מגנטים חזקים מאלצים את החלקיקים לנוע במסלול המעגלי עד שהם מתנגשים אלה באלה במהירות אדירה הקרובה מאוד למהירות האור. בהתנגשות משתחררת אנרגיה עצומה ולשבריר שנייה נוצרים שם חלקיקים יסודיים, בדומה לתהליכים שהתרחשו מיד אחרי המפץ הגדול. גלאים מיוחדים משמשים לזיהוי החלקיקים ולמדידת תכונותיהם.

בעשור שחלף מאז החל המאיץ הנוכחי לפעול, חוקרים מכל רחבי העולם ערכו בו ניסויים, בין השאר בניסיון לגלות חלקיקים חדשים. אחת המטרות המרכזיות בבניית LHC הייתה להוכיח את קיומו של בוזון היגס, המכונה גם "החלקיק האלוהי". המאמץ הוכתר בהצלחה בשנת 2012. בעקבות הגילוי, שניים מהמדענים שחזו את קיומו של החלקיק, פרנסואה אנגלרט (Englert) ופיטר היגס (Higgs), זכו בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2013.

עם זאת, מאז 2012 לא התגלו חלקיקים חדשים. לכן סבורים ב-CERN שנחוץ להם מאיץ חלקיקים חזק עוד יותר, שתשתחרר בו כמות עוד יותר גדולה של אנרגיה. חקר החלקיקים מקדם את ההבנה המדעית הבסיסית ביותר שלנו - ממה מורכב החומר, מה הן אבני היסוד של היקום ואילו כוחות פועלים ביניהם. גילויים חדשים יכולים לחזק או להפריך את המודל המקובל כיום, המודל הסטנדרטי, שאינו כולל את הכבידה ולא מספק עדיין הסבר מלא לכל התופעות בטבע. המודל הסטנדרטי מתייחס לשני סוגי חלקיקים: פרמיונים – חלקיקי החומר (חלקם מוכרים יותר, כמו אלקטרונים, וחלקם פחות, כמו קווארקים) ובוזונים - החלקיקים נושאי הכוח (למשל פוטונים). על פי עקרון הסופר-סימטריה, לכל חלקיק יסודי בטבע יש חלקיק סימטרי. אם החלקיק הוא פרמיון, החלקיק הסימטרי שלו הוא בוזון. אם תאוריה זו אכן נכונה, אזי שבנוסף לבוזון היגס, קיימים  חלקיקים נוספים שממתינים בתור להתגלות - בני הזוג הסימטריים של החלקיקים הידועים. אם הגילויים החדשים יביאו להרחבת המודל הסטנדרטי, אולי נוכל לשפוך אור על שאלות שעדיין אין להן תשובה, כמו למשל: ממה מורכב חומר אפל.  

לא כולם בקהילה המדעית תומכים בתוכנית. יש מדענים שגורסים כי אין שום ביטחון שמאיץ חזק יותר אכן יביא לגילויים חדשים ופורצי דרך. לדבריהם, מוטב להשקיע במיזמים מדעיים אחרים, שיש להם פוטנציאל גדול יותר להחזיר את ההשקעה הכספית האדירה.

שואפים ל-100 ק"מ. תוואי המנהרה של המאיץ הנוכחי (בכחול) ושל המאיץ המתוכנן לעתיד (באדום) | מקור: CERN

חשבון לא פשוט

תכנון המאיץ העתידי הוא משימה מורכבת. לשיפור הביצועים יש להאריך את המנהרה שבה מואצים החלקיקים. אפשרות אחת היא לחפור מנהרה מעגלית חדשה באורך של מאה קילומטר – פי ארבעה מאורך המנהרה הקיימת. עלות החפירה של מנהרה כזאת לבדה, עוד לפני בניית המאיץ עצמו, מוערכת בכחמישה מיליארד יורו.

אפשרות אחרת היא חפירת מנהרה ישרה במקום מעגלית. המאיצים הקוויים הקיימים כיום, מגיעים לאורך של כ-3 ק"מ. יפן שוקלת בדעתה בניית מאיץ קווי במנהרה ישרה באורך של כ-30 קילומטר: ה-ILC (ראשי תיבות של International Linear Collider). למאיץ הקווי יהיו יכולות שונות מאשר למאיץ המעגלי. הוא אינו מיועד לגילוי חלקיקים חדשים אלא למדידה מדויקת של תכונותיהם של חלקיקים ידועים. החוקרים יוכלו לערוך בו ניסויים להשלמת הממצאים על בוזון היגס ועל חלקיקים יסודיים אחרים. הממשלה בטוקיו אמורה להחליט בחודש הבא אם לקדם את התוכנית הזו, וההחלטה ודאי תשפיע גם המדיניות של CERN.

במקביל מתכננת גם סין מיזם דומה. לאחר מחקר בעניין הודיעו הסינים על כוונתם לבנות מאיץ מעגלי, דומה לזה שמתכננת CERN, והכוונה היא לעשות זאת במימון בינלאומי. האם עולם המדע זקוק לשני מאיצי חלקיקים בסדר גודל כזה? מכיוון שגם המאיץ האירופי וגם הסיני מיועדים לשרת מדענים מכל רחבי העולם, ברגע שתתחיל בנייתו של הראשון מביניהם יבוטל הצורך במיזם המקביל.

המודל הסטנדרטי: חלקיקי החומר (פרמיונים) משמאל והחלקיקים נושאי הכוח במרכז ומימין | איור: Science Photo Library

חיוביים ושליליים

שאלה נוספת שעומדת על הפרק בתכנון היא סוג החלקיקים במאיץ. ב-LHC משתמשים בפרוטונים שמתנגשים זה בזה. אפשרות אחרת, שכבר הייתה בשימוש בעבר, היא להאיץ אלקטרונים ופוזיטרונים (אנטי-אלקטרונים בעלי מטען חיובי במקום שלילי). כאשר חומר ואנטי-חומר נפגשים הם מבטלים זה את זה ומשתחררת אנרגיה אדירה. קודמו של ה-LHC היה מאיץ אלקטרונים-פוזיטרונים שפעל באותה המנהרה.

CERN מציגים כמה חלופות לתכנון המאיץ העתידי. האפשרות הראשונה היא לבנות מאיץ אלקטרונים-פוזיטרונים במנהרה מעגלית באורך 100 ק"מ, סמוך למאיץ הקיים. האנרגיה שתשתחרר תאפשר לחקור לעומק את החלקיקים הידועים, כמו בוזון היגס. הטכנולוגיה הנדרשת לבניית החלופה הזאת קיימת כבר כיום.

החלופה היקרה ביותר היא בניית מאיץ פרוטונים במנהרה מעגלית באורך של 100 ק"מ. במאיץ כזה תשתחרר אנרגיה גדולה פי שישה מזו שמופקת ב-LHC, והיא תאפשר לערוך ניסויים לגילוי חלקיקים חדשים שעדיין לא חזו את קיומם. אך הטכנולוגיה הנדרשת לבניית מאיץ כזה, למשל חומרים מוליכי-על לצורך ייצור מגנטים חזקים יותר, שיצליחו לאלץ את החלקיקים במאיץ החדש לנוע במסלול מעגלי, נמצאת עדיין בשלבי פיתוח ועלות המיזם גבוהה במיוחד.

תוכנית העבודה המועדפת נכון להיום מתחלקת לשני שלבים: בשלב הראשון ייבנה מאיץ אלקטרון-פוזיטרון מעגלי. בסיום תקופת פעילותו, עם התקדמות הטכנולוגיה הנדרשת, הוא ישודרג למאיץ פרוטונים חזק באותה מנהרה.

בקהילה המדעית אין לעת עתה תמימות דעים בנוגע לנחיצותו של המיזם השאפתני. ההחלטה הסופית נמצאת על השולחן של מועצת CERN, שבה יושבים נציגים מכל המדינות השותפות, כולל ישראל. בכל מקרה, מדובר על החלטה לטווח ארוך מאוד - גם אם ייבנה המאיץ החדש, הוא צפוי להתחיל לפעול רק בשנת 2040. ההחלטה  עשויה לא רק לתרום לגילוי חלקיקים חדשים ולפענוח מבנה החומר, אלא גם לקדם מחקר ופיתוח הנדסי לבניית התשתית הטכנולוגית הנדרשת.