מאיץ החלקיקים האירופי הענקי חוזר לפעילות אחרי שלוש שנות השבתה לצורך שדרוג, עם תקוות לגילויים שישנו את הפיזיקה

מאיץ החלקיקים הענקי של המרכז האירופי למחקר גרעיני (CERN) חוזר לפעולה אחרי שלוש שנות השבתה לצורך שדרוג מערכות. המדענים מצפים כי בהרצה הקרובה של המאיץ, השלישית במספר, יצליחו לפצח כמה מהתעלומות שעדיין אופפות את המודל הסטנדרטי, שהוא ההסבר הטוב ביותר שיש לנו כרגע למבנה החומר.

מאיץ החלקיקים, LHC (ראשי תיבות של Large Hadron Collider), שוכן במנהרה מעגלית באורך 27 קילומטר, כמאה מטרים מתחת לגבול צרפת-שווייץ. באמצעות מערכת מורכבת של מגנטים רבי עוצמה, יוצרים מפעיליו אלומות של פרוטונים, או אלומה של פרוטונים ואלומה של יוני עופרת, שהחלקיקים בהם נעים במהירות המתקרבת למהירות האור. לאחר שהגיעו למהירות הרצויה, מכוונים את האלומות זו אל זו, וגורמים להתנגשויות של החלקיקים אלה באלה במהירות עצומה בארבעת הגלאים השוכנים לאורך המנהרה. כל אחד מהגלאים מותאם לזיהוי סוגים מסוימים של חלקיקים הנוצרים בהתנגשויות, והמידע שייאסף מהם עשוי לשפוך אור חדש על הרכב ומבנה החלקיקים שאנו מכירים כיום.

השקת המאיץ המשודרג מתרחשת בדיוק כשהעולם מציין עשור לגילוי "בוזון היגס", שהיה עד אז "החלקיק החסר" בפאזל של המודל הסטנדרטי. הגילוי זיכה בפרס נובל בפיזיקה שניים מהמדענים שחזו את קיומו של החלקיק כמעט 50 שנה קודם לכן. עם זאת, הגילוי לא השלים את הפאזל – אף שהתמונה הכללית הרבה יותר ברורה, לא מעט שאלות נותרו פתוחות גם היום, לא רק למרות ההתקדמות הכבירה שהוביל המאיץ בפיזיקה של חלקיקים, אלא גם בגללה.

מאיץ באורך 27 קילומטר. קטע קצר מהצינור שבתוכו נעות אלומות החלקיקים | צילום: CERN
מאיץ באורך 27 קילומטר. קטע קצר מהצינור שבתוכו נעות אלומות החלקיקים | צילום: CERN

מהר יותר, מדויק יותר, חכם יותר

השדרוג של המאיץ בשנים האחרונות, שהזניק את עלותו הכוללת של הפרויקט ליותר מתשעה מיליארד דולר, כולל הגדלה קטנה יחסית של מהירות ההתנגשויות, מאנרגיה של 13 טריליון אלקטרון-וולט ל-.13.6. לשם השוואה, האנרגיה של גל אור נראה היא כ-3-2 אלקטרון-וולט בלבד. עם זאת, האלומות יהיו ממוקדות יותר, מה שיאפשר למדענים לתעד הרבה יותר התנגשויות חלקיקים בכל הפעלה של המאיץ. כמה הרבה? משהו כמו 40 מיליון התנגשויות כל שנייה, כשכל התנגשות כזו בין שני חלקיקים עשויה לייצר מאות חלקיקים אחרים, רבים מהם מתקיימים רק שברירי שניות לפני שהם מתפרקים או מגיבים עם חלקיק אחר. היבט נוסף של השדרוג נוגע לגלאים עצמם: חלקם ממש נבנו מחדש בטכנולוגיות משופרות, המאפשרות להם לזהות חלקיקים ברגישות גבוהה יותר ולהתמודד עם המספרים העצומים של חלקיקים שעשויים לפגוע בהם. היכולת לזהות בדיוק משופר את תוצרי ההתנגשויות פותחת פתח להבנה טובה יותר של מגוון החלקיקים הקיים.

שדרוג נוסף במאיץ נעשה במערכי המחשבים המתעדים את כמות המידע העצומה שנאספת בגלאים. ההתנגשויות במאיץ החדש יניבו כמות גדולה פי 30 של נתונים בהשוואה להרצות הקודמות, מה שדורש כוח מיחשוב אדיר כדי לאסוף ולנתח את המידע. תוכנות הסינון שאמורות לברור רק את המידע על ההתנגשויות המעניינות מתוך כלל "רעשי הרקע" שופרו בעזרת מערכות של בינה מלאכותית. חלקן בינה מלאכותית "מפוקחת", שאמורה להסב את תשומת הלב של מדענים לתופעות שהם מחפשים, או מעריכים שימצאו, וחלקן בינה מלאכותית "עצמאית", שתנסה לזהות בכוחות עצמה תבניות לא שגרתיות בנתוני ההתנגשויות, ותסייע אולי לגלות דברים פחות צפויים.

השקעה של יותר מתשעה מיליארד דולר. גלאי "אטלס" במאיץ החלקיקים | צילום: CERN
השקעה של יותר מתשעה מיליארד דולר. גלאי "אטלס" במאיץ החלקיקים | צילום: CERN

מחפשים פיזיקה חדשה

ההרצה הראשונה של המאיץ החדש, שהחלה ב-2009, הניבה את הגילוי של בוזון היגס, החלקיק המעניק את המסה לחלקיקים אחרים. עם זאת, גם בהפעלה הזו, שנמשכה עד 2013, וגם בשנייה, בשנים 2015-18, לא התגלו עוד חלקיקים חדשים, כפי שציפו לא מעט חוקרים. בשתי ההפעלות נאסף מידע חדש רב על החלקיקים הקיימים, אבל לא נמצאו ראיות לקיומה של מה שהחוקרים מכנים "פיזיקה חדשה" – סוגים לא מוכרים של חלקיקים, שירחיבו את המודל הסטנדרטי ואת האופן שאנו מבינים את מבנה החומר ואת היקום כולו.

אחד החלקיקים שהחוקרים מחפשים מכונה "לפטו-קווארק" (Leptoquark), שכמה תיאוריות חוזות את קיומו. על פי התחזיות האלה, באנרגיות גבוהות הוא מציג תכונות של שתי קבוצות נפרדות של חלקיקים: קוורקים – שמהם מורכבים חלקיקים כבדים כמו פרוטונים ונייטרונים – ולפטונים, שהם קבוצה של חלקיקים קטנים בעיקר, הכוללת בין השאר את האלקטרונים והמיואונים. רמז חשוב לקיומו של חלקיק כזה התקבל לאחרונה בניתוח נתונים מההפעלה הקודמת של אחד הגלאים במאיץ, CMS (ראשי תיבות של Compact Muon Solenoid). החוקרים גילו רמזים לקיומו של לפטון לא מוכר, שאינו חלק מהמודל הסטנדרטי. על פי כמה מהתחזיות לפטון כזה יגיב עם הלפטו-קווארק, ועשוי לספק ראיה עקיפה לקיומו. אם הלפטו-קווארק אכן קיים, הוא יווצר בהתנגשויות החלקיקים רק לזמן קצר מאוד, ויתפרק לשני חלקיקים: קווארק מסוג "עליון" (Top) וחלקיק טאו. הממצאים של גלאי "אטלס", שיגרו גם הם רמז מעודד לקיומו של חלקיק כזה: רמה גבוהה מעט מהצפוי של חלקיקי טאו ושל קווארק "עליון" בתוצרי ההתנגשויות. החוקרים מקווים כי בהפעלה הנוכחית של המאיץ יצליחו לאמת את הממצאים ברמת ודאות גבוהה יותר, ולהוכיח את קיומו של החלקיק. "אטלס" הוא הגלאי ה"ישראלי" במאיץ – קבוצה גדולה של מדעניות ומדענים מכמה מוסדות מחקר בישראל מעורבת בהפעלתו ובפיתוחו, וחלק מהרכיבים שלו גם מיוצרים בישראל.

תעלומה נוספת שהמדענים מקווים לפצח בהפעלה הקרובה של המאיץ נוגעת לחלקיק בשם מזון בי (B-Meson). גם החלקיק הזה נוצר בהתנגשויות מסוימות לזמן קצרצר, ומתפרק מיד. הוא יכול להתפרק לאלקטרון ולאנטי אלקטרון, או למיואון ולאנטי-מיואון. לפי התיאוריה אמור להיות סיכוי שווה לכל התפרקות, אבל מדידות קודמות ב-CERN וכן במאיץ נוסף בקליפורניה העלו שיש בערך 15 אחוז יותר התפרקויות לאלקטרונים, מה שמרמז על נוכחות של חלקיק נוסף שמטה את הכף, והחוקרים מקווים לגלותו.

חלקיק אחר, בוזון W, מאתגר גם הוא את המודל הסטנדרטי, עקב מדידות במאיץ Tevatron בארצות הברית שהעלו כי המסה שלו הרבה יותר גבוהה מהחזוי לפי המודל. מדידות קודמות ב-CERN דווקא מצאו שהמסה שלו קרובה יחסית לתחזית. ההפעלה הקרובה של המאיץ אמורה לספק תשובות ברורות יותר לסוגיה. אם יתברר שהמסה של בוזון W אכן גבוהה במידה ניכרת מהצפוי, יידרשו המדענים להתאים את המודל לממצאים.

לצד החיפוש אחר מימוש תחזיות תיאורטיות וקבלת מדידות מדויקות יותר של חלקיקים מוכרים, החוקרים מקווים גם לגלות חלקיקים חדשים ולא צפויים. אחת השאלות הגדולות של הפיזיקה, למשל, היא מה טיבו של החומר האפל, שעל פי המודלים מרכיב חלק ניכר מהמסה ביקום, אך טרם התגלה למרות חיפושים רבים אחריו.