הLHC - מאיץ החלקיקים הגדול בעולם, הינו אחד מן הפרויקטים המדעיים השאפתניים שידעה האנושות. רבות דובר בו לאחרונה, החל מן הציפייה האדירה לתוצאות הניסויים שיערכו בו, דרך החששות הכבדים כי הפעלתו תביא לאסון, ועד השמחה לאיד בעת שתקלות טכניות השביתו אותו עוד בטרם הופעל.

לרגל חגיגות השנה להפעלתו (והשבתתו המיידית עקב תקלה קריטית) אנו מביאים סקירה קצרה של פרטים אודות המאיץ, מטרתו, החששות מהפעלתו והתקלות שסבל, בתקווה לספק רקע מקיף יותר למתעניינים ולאפשר המשך העמקה בנושא.

המאיץ

בניגוד למאיצים קודמים, הLHC Large Hadron Collider)) אינו מתוכנן להאיץ אלקטרונים, אלא דווקא פרוטונים. שתי אלומות נפרדות של פרוטונים יואצו, עד אשר כל פרוטון שבהם יגיע לאנרגיה של 7 טרה אלקטרון וולט (פי 7461 ממסת המנוחה, כלומר האנרגיה של פרוטון שאינו נע), או אם תרצו למהירות של 99.9999991% ממהירות האור. במהירות זו יוזרקו שתי האלומות לאותו הצינור, כאשר הן נעות אחת מול השנייה, עד אשר הן יתנגשו זוז בזו. במהלך ההתנגשות, האנרגיה הרבה תשתחרר על ידי יצירה של חלקיקים מסוגים שונים אשר יתפזרו לכל עבר. מסביב למקום ההתנגשות מוצבים גלאים מתוחכמים, אשר אמונים על גילוי חלקיקים אלו, מדידת האנרגיה שלהם, התנע שלהם והמטען אותו הם נושאים.

מאיצי חלקיקים מאיצים לרוב אלקטרונים ופוזיוטרונים (האנטי אלקטרון), מאחר וחלקיקים אלו הינם פשוטים, ובסיסים, ואינם מורכבים מתת חלקיקים, ועל כן קל יחסית לנתח את תוצאות ההתנגשות שלהם. לעומתם הפרוטונים מורכבים מקווארקים וגלואונים, ועל כן ניתוח תוצאות ההתנגשות תהיה מסובכת. עם זאת, מאחר ומאסת הפרוטונים גבוהה ממאסת האלקטרונים, הוחלט להאיץ פרוטונים, על מנת להגיע לאנרגיה גבוהה.

המאיץ מורכב ממספר תת מאיצים, כאשר כל אחד מקבל את הפרוטונים מן המאיץ הקודם, ומגדיל את האנרגיה שלהם אף יותר. חלקו המפורסם, והמרכזי של המאיץ, הינו מאיץ סינכנטרוני (מאיץ מעגלי), ה ממוקם בתוך טבעת ענק, בעלת היקף של כ26 ק"מ הממוקמת מתחת לאדמה, על גבול שוויץ וצרפת.

הפרוטונים מוזרקים לטבעת זו באנרגיה של 450 ג'יגה אלקטרון וולט, ומואצים בה עד לאנרגיה הסופית שלהם. כאשר כל אלומה, נעה בכיוון ההפוך מן השנייה, בתוך צינור נפרד, השאוב ללחץ אפסי, על מנת שהפרוטונים לא יפגשו בדרך במולקולות אוויר. לאורך המסלול קיימות 4 נקודות בהן ניתן להזריק את האלומות לתוך אותו הצינור, שם הם יתנגשו זו בזו בעוצמה, וחלקיקים רבים ואחרים יווצרו כתוצאה מהתנגשות זו, ויאותרו על ידי גלאים מתאימים.

על מנת לגרום לתנועה מעגלית של הפרוטונים, מגנטי ענק מופעלים, וגורמים לכיפוף מסלול האלקטרונים. מגנטיים אלו הינם, מכל בחינה, יצירת אומנות טכנולוגית. לשם הבנה של הסיבוך, שתי אלומות הפרוטונים נעות כל אחד בצינור נפרד, סמוך מאוד אל השנייה. השדה המגנטי הנדרש כדי לכופף אלומה אחת הינו הפוך מזה הנדרש כדי לכופף את השנייה (שכן הן נעות בכיוונים הפוכים). לכן יש לייצר שדה מגנטי חזק מאוד בנקודה מסוימת, ובמרחק קצר ממנה, להצליח לייצר שדה חזק באותה מידה אך בכיוון ההפוך.

עוד נחזור אל מגנטים אלו כאשר נדון בתקלות המעכבות את הניסויים במאיץ

פרויקט הLHC אינו פשוט כלל, למעלה מ5000 פיזיקאים, ואלפי מהנדסים מעשרות מדינות השתתפו בבנייתו. טכנולוגיות חדשות רבות פותחו במיוחד עבורו (שידור נתונים בקצב גבוה, עיבוד מקבילי רב עוצמה ועוד ועוד), ועלותו עד היום עומדת על מספר מיליארדי דולרים.

למה צריך מאיצי חלקיקים בכלל?


באופן כללי, בחקר חלקיקים, או פיזיקה של אנרגיות גבוהות, אנרגיה, זהו שם המשחק. חשוב לזכור שכשאנו צופים בעולם, באופן רגיל, ללא שימוש במאיצי חלקיקים, אנו צופים בתחום מוגבל, תחום האנרגיה הנמוכה בלבד. חלקיקים אשר אנרגיית המנוחה שלהם הינה גבוהה מאוד, נוטים להתפרק מהר למספר חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה יותר ואלו מתפרקים שובו ושוב, עד שנוצרים חלקיקים רבים, בעלי אנרגיה נמוכה וזמן חיים ארוך בהם אנו יכולים לצפות.

על מנת לצפות בפיזיקה של אנרגיה גבוהות, ולבדוק את נכונותן של תיאוריות אשר מנבאות את קיומם של חלקיקים/תופעות באנרגיה גבוה, יש להגיע לאנרגיה זו. הדבר נעשה על ידי האצת חלקיקים עד אשר הם מתנגשים באנרגיה גבוה. כתוצאה מההתנגשות האנרגיה הגבוה משתחררת בצורה של יצירת חלקיקים רבים. על מנת לראות חלקיק בעל אנרגית מנוחה X יש להאיץ את החלקיקים המתנגשים לאנרגיה גבוהה מאנרגיה זו.

ניסויים קודמים הגיעו לאנרגיות נמוכות באופן משמעותי (בין פי 10 לפי 100) מאלו הצפויות בLHC, ועל כן, קיימת תקווה גדולה כי הוא יביא לגילויים חדשים ומעניינים

מה מחפשים בLHC


כמו בכל ניסוי מדעי, בוודאי בקנה מידה כמו הLHC, התקווה היא כי פיזיקה חדשה תתגלה, לאו דווקא כזו שנצפתה באופן תיאורטי, אך מובן שקיימים מספר יעדים מרכזיים אותם תוכנן המאיץ לחקור

א) בוזון היגס והמודל הסטנדרטי - המודל הסטנדרטי הינה אחת התיאוריות המדעיות המרשימות שיש בידינו כיום. הוא צופה את קיומו של כל אחד מן החלקיקים שנתגלה עד היום בדיוק רב. אולם מודל זה מתקשה להסביר מדוע למספר חלקיקים יש מסה, אילולי קיים חלקיקים נוסף, הנקרא בוזון היגס אשר כל העת נוצרים ונעלמים זוגות של חלקיקים מזוג (חלקיק וירטואלי), והאינטראקציה שלהם עם חלקיקים אחרים, משפיעה על מאסתם. עד היום כשלו הניסיונות להבחין בחלקיק זה בניסוי. מבחינה תיאורטית, ברור כי אנרגית המנוחה של בוזון היגס לא יכולה לעלות על טרה אלקטרון וולט אחד. על כן, צפויים להיווצר בוזוני היגס בLHC, ולהתגלות. אם לא יצליחו המדענים לגלות את בוזון היגס, הרי שכל נכונותו של המודל הסטנדרטי תעמוד בסימן שאלה גדול

ב) סימטרית על (super symmetry) - אחת התיאוריות המתגברות על הבעיות הקימות במודל הסטנדרטי הינה תיאורית סימטרית העל, החוזה אוסף חדש של חלקיקים, בנוסף לחלקיקי המודל הסטנדרטי. חלקיקים אלו הינם בעלי אנרגיית מנוחה גבוהה. אומנם רוב החלקיקים הללו צפויים להיות קצרי חיים, אולם אחד מהם צפוי להיות חלקיק יציב, כלומר בעל זמן חיים ארוך.

חלקיק זה אמור להיות אחד ממרכיבי החומר האפל, וככזה, הוא יעבור בוודאי דרך הגלאים של
הניסוי ללא להשאיר חותם, אולם, הגלאים מסוגלים להבחין גם בתופעה שכזו (הסבר בהמשך). אם
אכן יאותר חלקיק זה, הדבר יהווה הישג עצום, והוכחה לקיומו של החומר האפל, ונכונותה של
תיאורית סימטרית העל

ג) תורת המיתרים וחורים שחורים - תורת המיתרים, חוזה כי בנוסף לממדי המרחב שאנו מכירים, קיימים ממדים רבים נוספים (עד 22 במספר). קיומם של ממדים אלו מוביל לשתי תופעות אשר תיאורטית ניתנות לגילוי. האחת, העלמות של אנרגיה מן הממדים המוכרים לנו אותם אנו יכולים למדוד עקב מעבר לממדים אחרים, והשנייה, היווצרותם של חורים שחורים בניסוי.

תיאורטית על מנת ליצור חור שחור, יש לייצר כמות אנרגיה מינימאלית גדולה בהרבה מזו שתיווצר
בניסוי. עם זאת, במידה ותיאורית המיתרים נכונה, ואכן קיימים ממדים מרובים, הדבר מביא לשינוי
בכח הכבידה במרחקים קטנים מאוד, וצפוי לאפשר את יצירתם של חורים שחורים זעירים במהלך
הניסוי. חורים אלו צפויים לשרוד זמן קצר ביותר, ולפלוט את כל האנרגיה שלהם בצורת קרינה,
הניתנת לגילוי.

ד) פלאזמת קווארקים - גלואונים - זהו סוג שונה לחלוטין של ניסויים שעומד להתבצע במאיץ. במקרה זה במקום להאיץ פרוטונים, יואצו יוני עופרת. יוני אלו יגיעו לאנרגיה גבוהה בהרבה מן הפרוטונים (כ1000 טרה אלקטרון וולט). החוקרים מקווים כי באנרגיות אלו, ישתחררו הקוורקים והגלואונים המרכיבים את החומר וייצרו מעין גז טעון. העניין הרב בתופעה זו נובע מכך שאלו הם התנאים אשר שררו ככך הנראה מיד לאחר המפץ הגדול, והחוקרים מבקשים לבדוק אותם.

הגלאים


המאיץ מצייד בארבעה גלאים עיקריים, הממוקמים לאורך נקודות ההתנגשות האפשריות. באופן כללי בנויים גלאי החלקיקים מקליפות קליפות המקיפות את אזור ההתנגשות. החלקיקים הרבים הנוצרים בהתנגשות, חודרים אל תוך הגלאים ועוברים דרך קליפות אלו. כל קליפה, מיועדת לגילוי סוג מסוים של חלקיקים.

סוגים שונים של חלקיקים כמעט ואינם מגיבים עם חומר, או כלל אינם מגיבים איתו (לדוגמה חומר אפל) ולכן צפויים לחלוף בקלות דרך הגלאי מבלי להשאיר סימן. על מנת להתמודד עם כך, בעת גילוי חלקיקים, מחשבים הגלאים בזמן אמת, את כמות האנרגיה הכוללת שנמדדה על ידם, ואת סך התנע הנמדד. מתוך חוקי שימור אנרגיה ותנע, ניתן לזהות כך, בזמן אמת, האם נוצרו גם חלקיקים שלא הגיבו עם הגלאי במהלך ההתנגשות.

חשוב להבין את מורכבות התמונה. בשיא פעילותו של המאיץ, צפויים הגלאים להתמודד עם כמיליארד אירועים בשנייה, כמות עצומה. הגלאים אינם מסוגלים לשמור מידע כה רב, ולכל היותר הם יצליחו להקליט ולשמור מידע על כ100 אירועים בשנייה. על מנת להתמודד עם בעיה זו, תוכנה אשר תוכננה ונכתבה במיוחד עבור שימוש זה מנטרת את המידע בזמן אמת, מחליטה אילו מן האירועים עשויים להכיל מידע מעניין במיוחד, ומורה לגלאי לשמור מידע זה בלבד.

אחד מן הגלאים הללו, המכונה אטלס, יכול להסב לנו גם גאווה לאומית. צוות מדענים ממכון וייצמן, הטכניון ואוניברסיטת תל אביב לקח חלק משמעותי ביותר בפיתוחו ובנייתו. פרטים נוספים על הגלאים ניתן למצוא בקישורים.

מי מפחד מהLHC


בנוסף למכשולים הטכניים הרבים בפרויקט שאפתני זה, נאלצו מתכנניו להתמודד עם בעיה נוספת - פחד מאסון. קבוצה של מדענים הובילה התנגדות לקיומו של פרויקט זה, אשר הגיעה עד להגשת תביעה נגד פעילותו בבית משפט.

כאמור לעיל, במהלך הניסוי יתכן כי ייווצרו חורים שחורים זעירים. לטענת המתנגדים לקיומו, אין הבטחה כי חורים אלו אכן יתפרקו תוך זמן קצר ביותר, וקיים סיכוי כי חורים אלו ישרדו מספיק זמן, על מנת לספוג חומר מן הסביבה, דבר אשר יוביל לגדילתם ולהפיכתם לחורים שחורים יציבים. מנקודה זו והלאה, חור שחור פשוט ימשיך לגדול ולבלוע חומר, עד אשר הוא יבלע את כל כדור הארץ, ויביא לסופנו.

מנגד עמדו רוב המדענים המשתתפים בפרויקט, והללו חקרו, ואף פרסמו חישובים מפורטים, המראים כי אין כל סיכוי שתרחיש הבלהות שתואר לעיל יתרחש במציאות. טענתם הבולטת של חוקרים אלו היתה, כי אם חורים שחורים יכולים להיווצר במהלך הניסוי, הם יכולים להיווצר גם באטמוספרה, כתוצאה מן הקרינה הקוסמית הפוגעת בה. אולם גם בניסוי, כמו באטמוספרה, הם יעלמו תוך זמן קצת ביותר, ולא יביאו כלל לחורבן והרס.

לבסוף הכריע בית משפט כי ניתן להפעיל את המאיץ, והניסוי הגדול בתולדות האנושות יצא לדרך, אשר התגלתה מיד כדרך רצופת מהמורות.

התקלות שבדרך


פרויקט הLHC אשר אושר כבר ב1994 (והמנהרה המרכזית שלו נחפרה אף קודם לכן במסגרת פרויקט קודם, ב1988), טרם הפיק תוצאות ניסיוניות. לאחר שנות תכנון ובניה רבות, המאיץ היה מוכן לפעולה כבר בספטמבר 2008.

ב10 לספטמבר הופעל המאיץ, ופרוטונים הואצו בו אולם במהרה הוא הושבת עקב תקלה קלה, וחזר לפעול יום לאחר מכן.

ב19 לספטמבר 2008, התרחשה במאיץ תקלה משמעותית ביותר, אשר השביתה אותו לשנה שלמה, כלומר עד לרגעים אלו. לשם הבנת התקלה נזכר כי לשם הפעלתנו נדרש שדה מגנטי עצום הנוצר על ידי סלילי ענק. סלילים אלו בנויים מחומר על מוליך, ומקוררים כל העת על ידי הליום נוזלי לטמפרטורה של כ2 מעלות קלווין בלבד.

חיבור לקוי בין סלילי המגנטיים, הביא לכך שבמקום נוצרה התנגדות קלה של הסליל, זרמי החשמל האדירים הנעים בסלילים אלו הביאו לחימום מידי של אזור זה, וכתוצאה מכך לחימום של כל הסליל בכ-100 מעלות קלווין. כתוצאה מכך, עבר הסליל ממצב על מוליך למצב מוליך, והחימום נמשך בקצב מהיר עוד יותר. תופעה שכזו מכונה בז'רגון המקצועי כ Quench.

כתוצאה מן החימום הרב, התאדה ההליום אשר שימש לקירור הסלילים. כאשר הליום מתאדה, כל ליטר של נוזל, הופכים ל760 ליטרים של גז. חישבו אם כן מה קורה כאשר מיכל מלא עד אפס מקום בהליום נוזלי מתאדה בבת אחת, הלחץ שנבה בתוך המיכל הוא עצום, שסתומי בטיחות נפרצים על מנת לנסות להקל עליו, אולם למרות זאת הדבר עלול להביא לנזק משמעותיי למבנה הסלילים ואפילו לנזק ממשי לבטון ולצינורת בהם נעים הפרוטונים.

באירוע זה התאדו כאלף טון של הליום, ואכן נגרם נזק פיזי לצינורות המתכת והבטון שבמאיץ. בנוסף לפגיעה הפיזית בצינורות, נזק נוסף נגרם עקב נשיאה של מזהמים כגון פחמן אל תוך הצינורות בהם נעים הפרוטונים. כאמור לעיל צינורות אלו חייבים להיות שאובים ללחץ אפסי, על מנת שהפרוטונים לא יתנגשו במולקולות זרות בזמן תנועתם בצינורות.

אם כל זאת אינו חמור מספיק, על מנת להבחין בתקלה היה על החוקרים לחמם לחלוטין את הסלילים לטמפרטורת החדר. מאחר ומדובר במאסת מתכת עצומה תהליך זה לקח כחודש נוסף. באוגוסט 2009 התחילה התקנתה של מערכת חדשה, המיועדת למנוע חזרה של תופעת Quench נוספת. עד כה הותקנה מערכת זו בשני אזורים בלבד, מתוך 436 אזורים בהם היא אמורה לפעול, אולם סביר להניח כי הקמתה תסתיים במהרה.

חשוב לציין כי ממילא, המאיץ אינו אמור לפעול במהלך חודשי החורף הקרים של שוויץ. האנרגיה הדרושה לשם הפעלת המאיץ הינה עצומה, ותחנות הכוח באזור אינן מסוגלות לעמוד בו זמנית בעומס הנדרש להפעלת המאיץ, ולחימום בתי התושבים באזור. אי לכך, המאיץ לא יפעל במהלך חודשי החורף, ולאחר שהושבת עקב התקלה, היעד שהוצב לתיקונה היה, ספטמבר 2009.

ואכן, ב3 לספטמבר 2009, הונחה הושג יעד משמעותי לקראת הפעלתו מחדש של המאיץ. קירורם מחדש של המגנטים אשר נפגעו בתקלה שנה קודם לכן לטמפרטורה של 2 מעלות קלווין. כאשר יסתיים תהליך קירור זה, בשבועות הקרובים, יוכל המאיץ לחזור ולפעול.

חשוב לציין שגם לאחר שיופעל, צפוי המאיץ לעבוד מספר רב של חודשים בעוצמה נמוכה מן העוצמה המכסימלית שלו, לשם ניתוחים מורכבים של פעילותו, כך שיעבור עוד זמן לא מבוטל עד שנראה תוצאות ניסיוניות מרתקות מן המאיץ, אולם אין ספק, כי בסופו של דבר תוצאות שכאלו יתקבלו, ויכניסו מהפכה של ממש בהבנתנו את העולם.
 

צילום של האזור תחתיו ממוקם המאיץ. הטבעת העצומה של המאיץ מסומנת בצהוב.

סימולציית מחשב של ההדמיה שתתקבל בגלאי, כאשר יקלט תהליך בו יווצר בוזון היגס

למידע רב נוסף אודות המאיץ, מתוך אתר וויקיפדיה בעברית, לחצו כאן
לאתר הרשמי של פרויקט LHC, לחצו כאן

 

מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.