חורים שחורים במעבדה

01.06.2006
ישראלים ופקיסטנים משתפים פעולה בתחנת הניסוי "אטלס"
 
אלפי פיסיקאים מ-62 מדינות, חמושים במכונה הגדולה בעולם, שמשקלה גדול פי ששה ממשקלו של מגדל אייפל, ייצאו בשנה הקרובה לאחת מההרפתקאות המרתקות בהיסטוריה של המדע. המטרה: להוכיח את קיומו של חלקיק זעיר, ולהראות שהעולם שבו אנו חיים הוא - ביסודו של דבר - מקום הרבה יותר פשוט מכפי שנראה לנו במבט ראשון. הצלחת המבצע תהווה השלמת חלקיק הפאזל האחרון בתמונה של "המודל הסטנדרטי", התיאוריה השלמה והמקובלת ביותר עד כה באשר למבנה החומר ביקום. כישלון יחולל רעידת אדמה של ממש בעולמם של הפיסיקאים, ויחייב בחינה מחודשת של אושיות המודל הסטנדרטי.
 
המכונה שבה מדובר היא מאיץ חלקיקים אשר נבנה במנהרה מעגלית שאורכה 27 קילומטרים, שנחפרה בעומק של כ-100 מטר מתחת לפני הקרקע, באיזור הגבול שבין צרפת לשווייץ, ליד ז'נבה. המעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, שבמסגרתה נבנה ויופעל המאיץ, כיכבה באחרונה בספרו של דן בראון "מלאכים ושדים", אבל הסיפור האמיתי שלה מדהים לא פחות. מדעני סר"ן, למשל, המציאו ופיתחו את שפות המחשב ואת התפיסות הבסיסיות שלימים שימשו בסיס להקמת רשת האינטרנט. למעשה, השרת הראשון של "רשת הקורים העולמית" הופעל בסר"ן במטרה ליצור תקשורת טובה בין מדענים מכל העולם שמשתתפים בניסויים המתבצעים במקום. הארגון גם שימש מודל לכינון האיחוד האירופי, והשפעתו על הטכנולוגיה והכלכלה מזכירה במשהו את תוכנית החלל האמריקאית. אבל עם כל התהילה הזאת, המאיצים שנבנו עד כה בסר"ן לא הצליחו לגלות את החלקיק הנעלם. אנשים רגילים אולי היו מרימים ידיים, אבל הפיסיקאים לא התייאשו, ובמשך שנים תכננו ובנו מאיץ חדש, הגדול פי שבעה מהמאיץ הגדול ביותר הקיים כיום בעולם, המבוסס על מגנטים מוליכי-על. המאיץ הזה, הקרוי LHC) Large Hadron Colider), יאיץ אלומות של פרוטונים עד למהירות קרובה מאוד למהירות האור (99.999998% ממהירות האור) , כך שעל-פי תורת היחסות, מאסתם תגדל עד פי 7,500 ממאסתם הרגילה במצב מנוחה. הוא יכוון את האלומות זו לעומת זו,  ויגרום התנגשויות אדירות אנרגיה שינפצו את החלקיקים וייצרו למשך הרף עין תנאים דומים לאלה ששררו ביקום שברירי שנייה לאחר המפץ הגדול.
 
בראשית דרכו היה היקום פשוט, חם ואנרגטי מאוד. אך הוא הצליח להתקיים במצבו זה זמן קצר מאוד: ככל שנקפו השניות, התפזרה האנרגיה במרחב המתפשט, והיקום התקרר ונעשה מורכב ומסובך יותר מרגע לרגע. החלקיקים הראשוניים, שיכלו להתקיים רק ברמות האנרגיה הגבוהות, "הסתתרו" מאחורי "נציגים" מסוגים שונים, שהתרבו והלכו, תוך שהם מקיימים ביניהם קשרי משפחה מורכבים ולעיתים גם טעונים למדי. כך, פחות או יותר, התפתח היקום עד שנוצר העולם העכשווי.
 
בשביל לא מעט בני-אדם, העולם המורכב שבו אנו חיים, הוא עולם נפלא. אבל הפיסיקאים שבינינו אינם מסתפקים במציאות הנראית לעין. הם שואפים לרדת לשורשיה של המציאות הזאת, ולבדוק אם היא באמת מבוססת על הפשטות המוחלטת, האבודה, של היקום הקדום. את שלל חלקיקי החומר הם שואפים לראות כ"פנים שונות" או "הרכבים שונים" של מעט חלקיקים בסיסיים. את ארבעת הכוחות הפועלים בין החלקיקים האלה (הכוח החלש, האחראי לתופעת הרדיו אקטיביות, הכוח האלקטרו-מגנטי, הכוח החזק, האחראי לקיומם של פרוטונים וניטרונים, וכוח הכבידה) הם שואפים לראות כ"היבטים שונים" של כוח טבע בסיסי אחד ויחיד (כאשר שני חלקיקי חומר "מתמסרים" ביניהם במעין "כדור", אנחנו אומרים שפועל ביניהם כוח, ושה"כדור" הוא חלקיק שנושא את הכוח הזה).
 
גם מסע ארוך ומורכב מתחיל בצעד אחד, והצעד הראשון במסע לאיחוד הכוחות הוא איחודם של שני כוחות בלבד — הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש — בכוח בסיסי וקדום יותר, הקרוי הכוח האלקטרו-חלש. אבל מאמץ האיחוד הזה נתקל בקושי: החלקיק שנושא את הכוח האלקטרו-מגנטי הוא הפוטון. את הכוח החלש נושאים חלקיקי "W" ו-"Z", שהם בעלי מאסה אשר נמדדה במדויק בניסוי שבו השתתפו מדעני המכון. מאסת ה-"W" וה-"Z" מוענקת להם, על-פי התיאוריה, על-ידי חלקיקי הקרוי "היגס", על-שמו של הפיסיקאי הסקוטי פטר היגס מאוניברסיטת אדינבורו. תיאוריה זו זיכתה את היגס, יחד עם רוברט ברוט ופרנסיס אנגלרט, בפרס וולף לשנת 2004. הבעיה היא, כאמור, שחלקיק ה"היגס" טרם התגלה. ואם בסופו של דבר יתברר שהחלקיק הזה אינו קיים, תעלה במלוא חריפותה השאלה: מי מעניק ל-"W" ול-"Z" את המאסה שלהם באופן שמשמר את הסימטריות של המודל הסטנדרטי? הצורך במציאת הסבר תחליפי יחייב ארגון מחדש של המודל הסטנדרטי, דבר שמשמעותו קרובה להחזרת המחקר הפיסיקלי המודרני לנקודת ההתחלה - לפני כארבעים שנה.
 
במאמץ העולמי לגילוי חלקיק ה"היגס" הנעלם משתתפים כמה פיסיקאים ממכון ויצמן למדע, שאפשר לראותם, בין היתר, גם כמשפחה מאושרת: סב, אב ובן-נכד מדעיים. פרופ' גיורא מיקנברג, העומד בראש הקבוצה, הוא מורהו של פרופ' אהוד דוכובני, שהוא מורהו של פרופ' עילם גרוס. יחד איתם עובדים פרופ' ולדימיר סמכטין, ד"ר דניאל ללוש וד"ר לורן לוינסון, כולם מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ומרכז נלה וליאון בנוזיו לפיסיקה של אנרגיות גבוהות.
 
 

התנגשויות רבות-עוצמה

במאיץ מתחוללות התנגשויות רבות-עוצמה בין חלקיקים הנעים בכיוונים מנוגדים. באיזור ההתנגשות נוצרת מערכת אנרגטית מאוד, הדומה למצב שהיה קיים בחלקיקי השנייה הראשונים לאחר המפץ הגדול. כתוצאה מכך הופכים חלקיקי החומר לאנרגיה, לפי הנוסחה המפורסמת של אלברט איינשטיין, המתארת את השוויון בין החומר לאנרגיה: E=Mc2. לאחר מכן, האנרגיה מתפשטת במרחב והמערכת מתקררת (בדיוק כפי שקרה בתהליך התפתחות היקום). כתוצאה מכך חוזרת האנרגיה והופכת לחלקיקי חומר, העוברים ומשחזרים אותו תהליך רב-שלבי עד שהם יוצרים את החלקיקים המסוגלים להתקיים במציאות המוכרת לנו. המדענים העוקבים אחר שלביו השונים של התהליך הזה לומדים על מבנה החומר ועל התפתחות היקום.
 
תוצרי ההתנגשויות הם חלקיקים אנרגטיים שמתקיימים במשך פרקי זמן קצרים מאוד (שברירי שנייה), כך שכדי להבחין בקיומם יש לזהות את העקבות שהם מותירים אחריהם. למטרה זו פותחה תשלובת של גלאי חלקיקים שכל אחד מהם מותאם ללכידת חלקיקים מסוימים. הבעיה היא, שהסיכוי לקבל בהתנגשות בודדת את חלקיק ה"היגס" שקול לסיכוי לשלוף תא חי בודד מתוך עלה ספציפי של צמח הגדל על-פני כדור-הארץ בהושטת יד אקראית. כדי להתמודד עם המשימה הזאת פיתחו מדעני המכון, בראשות פרופ' מיקנברג, גלאי חלקיקים ייחודים, המיוצרים במכון, ביפן ובסין, נבדקים בטכניון ובאוניברסיטת תל-אביב, ונשלחים להתקנה במנהרת המאיץ בסר"ן. גלאים אלה מתוכננים לגלות חלקיקי מיואון, שעשויים להיווצר כתוצאה מהתפרקות של חלקיק ה"היגס", כלומר, בעצם קיומם הם עשויים להעיד על קיום קודם של חלקיקי "היגס". פרופ' מיקנברג מנהל את הניסוי לגילוי המיואונים (המונה כ-400 מדענים) בתחנת הניסוי "אטלס" על מאיץ ה-LHC בסר"ן. מערכת הניסוי הזאת כוללת את האלקטרו-מגנטים מוליכי-העל הגדולים בעולם, שנבנו בהשתתפות חברות ישראליות. המבנה כולו כולל 10,000 גלאי קרינה, הממוקמים בדיוק של מילימטר אחד בחלל שנפחו 25,000 מטרים מעוקבים, וכוללים מיליון וחצי ערוצי אלקטרוניקה. רוב המבנה המכני הגדול הזה בנוי ממרכיבים שיוצרו בישראל. מערכת לייזרים ייחודית עוקבת אחר מיקומם המדויק של הגלאים, בדיוק של 25 מיקרון (חצי מעוביה של שערת אדם).
 
מאיץ ה-LHC מסוגל למצוא את חלקיק ה"היגס" בכל טווח המאסות האפשריות שלו. המאיץ הזה מבוסס על אלקטרו-מגנטים מוליכי-על, הפועלים בטמפרטורות נמוכות מאוד: פחות משתי מעלות מעל האפס המוחלט (מינוס 271 מעלות צלסיוס), והוא יפיק כמיליארד התנגשויות חלקיקים בשנייה, מספר השקול למצב שבו כל אדם על פני כדור-הארץ ייפגש עם כל אחד מששת מיליארדי תושבי העולם, כל שש שניות. הצורך לחשב ולנתח את המידע מכל ההתנגשויות האלה שקול לניסיון להבין מה אומרים כל תושבי העולם, כשכל אחד מהם מנהל בעת ובעונה אחת 20 שיחות טלפון. שטף המידע הזה זורם במערכת של סיבים אופטיים ומתגים שיוצרו בישראל, ולצורך עיבודו מתוכננת רשת עולמית של מחשבים שתכלול כ-100,000 מחשבים שיהיו ממוקמים בכ-150 מרכזים בחמש יבשות ויהיו מקושרים ביניהם. מחשבים אלה יפעלו למעשה כמחשב ענק שיהיה מסוגל לנתח את תוצאות הניסוי. ריכוז עוצמה חישובית שכזו הכרחי לשם הבנת תוצאות הניסוי (שבמהלך שנה ירשום כחמישה מיליון ג'יגה בייט של נתונים), אך ישמש גם קבוצות מדעיות בתחומים אחרים, כביו-אינפור-מטיקה, חיזוי מזג אוויר, פיתוח תרופות, ותחומי מחקר שונים בכימיה.
 
 

ממדים נסתרים וחורים שחורים

עדיין לא ברור אם חלקיק ה"היגס" יתגלה ב-LHC, וכבר עולה שאלה נוספת: האם ייווצרו בו חורים שחורים זעירים? האפשרות המפתיעה הזאת עולה מתורת המיתרים, המציעה לפיסיקאים דרך אל הפשטות המוחלטת. לפי התורה הזאת, כל החלקיקים הידועים לנו אינם אלא מופעים ותוצרים של "מרכיב קדום" אחד; וכל הכוחות הפועלים בטבע אינם אלא היבטים שונים של כוח קדמון אחד ויחיד. "המרכיב הקדום" הזה, הקרוי "מיתר", שונה מכל החלקיקים המתוארים במודל הסטנדרטי. ראשית, הוא קטן יותר. אפשר לומר שמיתר קטן מאטום באותו יחס שבו אטום בודד קטן ממערכת השמש. שנית, כל החלקיקים ה"רגילים" הם (מנקודת מבטם של הפיסיקאים) "נקודתיים" במובן הגיאומטרי של המלה. כלומר, הם חסרי ממדים. אין להם   לא אורך, לא רוחב ולא עומק. האופי החומרי של החלקיקים האלה נובע מתהליכי "הלבשה" שבהם נעטפים החלקיקים בשדות שונים ונצמדים לחלקיקים אחרים. לעומת זאת, המיתר, לפי תיאורי מציעיו, הוא בעל מימד אחד לפחות.
 
הבעיה היא, שהתיאוריה הזאת עשויה להתאים למציאות בעולם שיש בו לא פחות מ-11 ממדים. במילים אחרות, או שהתורה הזאת אינה מתאימה לתיאור היקום הארבעה-ממדי שלנו (הכולל את שלושת ממדי המרחב ואת מימד הזמן), או שהיקום שלנו הוא בעל 11 ממדים, ואנחנו, בגלל מגבלותינו, איננו מבחינים בשבעה מהם. מתברר, שמצב כזה  עשוי להיות אפשרי, אם רק מוכנים להניח שלצד ארבעת הממדים המוכרים לנו "מקופלים" שבעה ממדים אחרים. לפי התחשיבים האלה, אם קוטר ה"קיפול" של הממדים הנוספים האלה קטן מאוד, קיומם לא יסתור את תמונת המציאות החומרית כפי שהיא נראית לנו.
 
כדי להבין מה הם "ממדים מקופלים", אפשר לחשוב על נמלה הנמצאת על צינור שקוטרו, נאמר, חצי מטר. אם היא תלך לאורך הצינור, היא תבחין במימד אחד של עולמה: אורך. אם היא תלך מסביב לקוטרו, היא תחזור למקום שממנו יצאה למסעה ותבחין במימד נוסף, שונה. אבל, אם קוטרו של הצינור יהיה קטן מאוד, הרבה יותר קטן מגודלה של הנמלה עצמה, היא לא תוכל ללכת סביבו, ולא תבחין בו. הפיסיקאים החוקרים את תורת המיתרים מציעים תמונת מציאות, שקיימים בה שבעה ממדים "מקופלים" ו"מכווצים" עד כדי כך שאיננו יכולים להבחין בהם.
 
תמונת עולם זו עשויה לספק פתרון לאחת מהתעלומות הבסיסיות בפיסיקה: חולשתה היחסית של הכבידה, החלשה מהכוח האלקטרו-מגנטי, למשל, מאות טריליוני מונים. אחד ההסברים האפשריים לתופעה זו הוא, שהכבידה מתפשטת לתוך שבעת הממדים ה"מקופלים", או לאחדים מהם, ולפיכך, כשאנו מודדים אותה בעולמנו בעל ארבעת הממדים, אנו מתייחסים לחלק קטן ממנה בלבד.
 
אם התפיסה הזאת נכונה, באזורי התנגשות החלקיקים ב-LHC עשויים להיווצר תנאים ייחודיים: הפרוטונים המואצים, עתירי המאסה, מתקיימים גם בממדים המקופלים, דבר שייצור ריכוז עוצמה אדירה של כבידה בשטח קטן מאוד. במצב כזה עשוי להיווצר חור שחור. למעשה, על-פי התחשיבים, ב-LHC ייווצר חור שחור זעיר מדי כשנייה. אין צורך לחשוש: חורים שחורים מתאפיינים ביחס הפוך בין מאסה לטמפרטורה. כלומר, אם מאסת החור השחור גדולה, הטמפרטורה שלו נמוכה. אם מאסת החור השחור קטנה מאוד (כפי שיקרה - אם יקרה - ב-LHC), הטמפרטורה שלו תהיה גבוהה מאוד. למעשה, במקרה זה היא תהיה כל כך גבוהה, עד שהחור השחור יתאדה בתוך שבריר זעיר של שנייה.
 
פרופ' אהוד דוכובני ותלמיד המחקר אריה מלמד-כץ פיתחו אלגוריתם ייחודי שיאפשר לנתח את נתוני האירועים האלה (שייקלטו היטב בגלאי החלקיקים), ולמצוא לפיהם את מספר הממדים הנעלמים של החור השחור הזעיר. למעשה, החישוב הזה יתאפשר רק אם תכונות החור השחור קשורות למספר הממדים שבהם מתפשטת הכבידה. בדרך זו אפשר יהיה, אולי, לספק מדידה מציאותית של אחד מההיבטים המרכזים של תורת המיתרים.
 

 

פרופ' גיורא מיקנבג

נולד בשם חורחה בבואנוס איירס, ארגנטינה, בשנת 1947. כנער צעיר, בן 16, נפרד ממשפחתו, שינה את שמו לגיורא, ועלה לבדו לישראל כדי לנסות את חיי הקיבוץ. משם, בעקבות השפעתו של פרופ' יהודה שדמי, החל ללמוד פיסיקה, מה שהביא אותו, בהמשך, למכון ויצמן למדע. בצה"ל שירת תחת פיקודו של סמל אהוד דוכובני. בסר"ן הוא מוכר בשם ג'ורג'. איך לא מתבלבלים בין שלושה שמות? פרופ' מיקנברג: "האמת, זה דווקא נוח. כשמישהו קורא בשמי, אני יודע בדיוק מאיפה הוא מכיר אותי, וכך קל לי יותר לנהל תקשורת עם אנשים".
 

 

פרופ' עילם גרוס

נולד בתל-אביב ושירת ביחידה מובחרת של חיל קשר. עם תום שירותו נסע ללמוד מוסיקה בניו-יורק. ההיתקלות בספר הפולחן "הטאו של הפיסיקה" הביאה אותו בחזרה לישראל וללימודי פיסיקה באוניברסיטה העברית. את עבודת המוסמך בתורת המיתרים עשה במכון ויצמן למדע, ובהמשך "ערק" לפיסיקה הניסיונית של אנרגיות גבוהות ולקבוצתו של פרופ מיקנברג. היום, בין נוסחאות מתמטיות ותרשימים של אלומות חלקיקים, הוא ממשיך לטפח את המוסיקה (הפעם כתחביב), ואפילו חולם וברצינות להפיק מופע שמשלב מוסיקה ותובנות מתחום חקר החלקיקים. באחרונה, בלילות, כשאינו עסוק בחישובים הקשורים לחלקיקים ולאיחוד הכוחות, אפשר למצוא אותו באולפני הקלטות, שם הוא שוקד על ביצוע שיר שכתב על איינשטיין. הוא אב לשתי בנות, נופר (20) ויערה (15).
 

 

פרופ' אהוד דוכובני

נולד בישראל בשנת 1953. בנעוריו היה אלוף ישראל בשחייה ובקליעה למטרה. בצבא שירת ביחידה מובחרת. לאחר שחרורו היה מעורב בפיגוע טרור וזכה, עקב פעולתו באירוע, לאות האומץ ולאות ה-Verdienstkreuz am Band מנשיא גרמניה. במסגרת שירות המילואים במלחמת של"ג נפגע בגבו. הוא נשוי לנגה לבית תמיר ואב לארבעה.
 
מימין : פרופ' עילם גרוס, פרופ' אהוד דוכובני ופרופ' גיורא מיקנברג
 
 
אחד מששת מערכי הגלאים שבונים מדעני המכון (הבינוני בגודלו), בהשוואה לאדם (הדמיה)
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם