חלקיק חדש התגלה – סיכוי טוב שמדובר בחלקיק ה"היגס"

עברית
 
מסע ארוך ומורכב, לגילוי חלקיק ה"היגס", שהתחיל בצעד אחד, לפני כ-25 שנים, הגיע היום, ככל הנראה, לקו המטרה. כך מדווחים מדעני מאיץ החלקיקים LHC שבמעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, שליד ז'נבה.
 
ה"היגס" הוא אבן הבניין האחרונה שהייתה חסרה בתיאוריית "המודל הסטנדרטי" המתאר את מבנה החומר ביקום. הוא מאפשר לאחד שני כוחות טבע ולהראות שהם, למעשה, היבטים שונים של כוח אחד בסיסי יותר. ובנוסף, הוא אחראי גם לקיומן של מאסות החלקיקים היסודיים.
 
מדעני מכון ויצמן למדע מילאו תפקיד מרכזי במסע החקר הזה, לאורך כל שנותיו. פרופ' גיורא מיקנברג עמד במשך שנים רבות בראש קבוצת המחקר שחיפשה את ה"היגס" בניסוי "אופאל" בסר"ן. לאחר מכן עמד בראש קבוצת המחקר שבנתה את גלאי המיואונים בניסוי אטלס – אחד משני הניסויים שבהם התגלה בסופו של דבר החלקיק. פרופ' אהוד דוכובני מוביל את קבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע ועומד כיום בראש צוות מחקר שבוחן שאלות מרכזיות אחרות בסר"ן. פרופ' עילם גרוס מרכז כיום את קבוצת הפיסיקה המחפשת אחר חלקיקי היגס בניסוי אטלס. זהו גם סיפור על "סב, אב ובן" מדעיים: פרופ' מיקנברג הוא מורהו של פרופ' דוכובני, ושניהם מורים של פרופ' גרוס.
 
פרופ' עילם גרוס: "זה היום הגדול בחיי. מאז היותי סטודנט, בשנות ה-80, אני מחפש את ה"היגס". עדיין קשה להאמין איך 25 שנה מתמצות בגילוי שהגיע באופן מפתיע. לא חשוב איך קוראים לזה, מעכשיו אנחנו לא מחפשים יותר "היגס" – אנחנו מודדים את תכונותיו. זה היום המאושר בחיי, לזה ציפיתי, ולא פיללתי שכשזה יקרה אני אהיה בעמדה כה בכירה בצוות החיפוש העולמי".
 
בשביל לא מעט בני-אדם, העולם המורכב שבו אנו חיים, הוא עולם נפלא. אבל הפיסיקאים שבינינו לא 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).
 
הצעד הראשון במסע לאיחוד הכוחות הושלם עם גילויו הכמעט ודאי של חלקיק ה"היגס" - איחודם של שני כוחות: הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש, בכוח בסיסי וקדום יותר, הקרוי הכוח האלקטרו-חלש. החלקיק שנושא את הכוח האלקטרו-מגנטי הוא הפוטון. את הכוח החלש נושאים חלקיקי "W" ו-"Z" שהם בעלי מאסה שנמדדה במדויק בניסוי שבו השתתפו מדעני מכון ויצמן למדע. מאסת ה- "W" וה- "Z" מוענקת להם על-ידי ה"היגס", הקרוי על-שמו של הפיסיקאי הסקוטי פטר היגס.
 

המכונה הגדולה בעולם
במאמץ לגלות את ה"היגס", לאחד את הכוחות ולהבין את מקור המאסה ביקום, בנו המדענים את המכונה הגדולה בעולם: מאיץ חלקיקים שנבנה במנהרה מעגלית שאורכה 27 קילומטרים, שנחפרה בעומק של כ-100 מטר מתחת לפני הקרקע, באיזור הגבול שבין צרפת לשווייץ, במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, ליד ז'נבה.
 
המאיץ הזה, הקרוי LHC (קיצור ל-Large Hadron Colider), מאיץ אלומות של פרוטונים עד למהירות קרובה מאוד למהירות האור (99.999998% ממהירות האור) , כך שעל-פי תורת היחסות, מאסתם גדלה עד פי 7,500 ממאסתם הרגילה במצב מנוחה. הוא מכוון את האלומות זו לעומת זו, וגורם התנגשויות אדירות אנרגיה שמנפצות את החלקיקים ויוצרות, למשך הרף עין, מערכת אנרגטית מאוד, הדומה למצב שהיה קיים בשברירי 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. כתוצאה מכך חוזרת האנרגיה והופכת לחלקיקי חומר, העוברים ומשחזרים את אותו תהליך רב- שלבי עד שהם יוצרים את החלקיקים המסוגלים להתקיים במציאות המוכרת לנו.
 
תוצרי ההתנגשויות הם חלקיקים אנרגטיים שחלקם מתקיימים 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.
 

סטטיסטיקה
הבעיה היא שהסיכוי לקבל בהתנגשות בודדת את חלקיק ה"היגס" שקול לסיכוי לשלוף תא חי בודד מתוך עלה מסוים של צמח הגדל על-פני כדור-הארץ בהושטת יד אקראית. כדי להתמודד עם המשימה הזאת פיתחו מדעני מכון ויצמן למדע, בראשות פרופ' מיקנברג, גלאי חלקיקים ייחודיים, שיוצרו במכון, ביפן ובסין. גלאים אלה מותאמים לגילוי חלקיקי מיואון, הנוצרים כתוצאה מהתפרקות של חלקיק ה"היגס", כלומר, גילויים מהווה עדות נסיבתית לקיום קודם של חלקיקי "היגס".
 
המדענים ניתחו נתונים שעלו מאלף טריליון התנגשויות פרוטונים, שבהן נוצרים חלקיקי "היגס", לצד חלקיקים דומים רבים נוספים. חיפוש סימנים אפשריים לקיומו של ה"היגס" נעשה באמצעות איתור אי-התאמות בנתונים הסטטיסטיים (בהשוואה לנתונים הצפויים להתקבל אם החלקיק אינו קיים). חיפוש זה מתמקד בתחום המאסה המשוערת של החלקיק: 126טריליון אלקטרון-וולט (GeV). כאשר המדענים מצליחים לאתר אי-התאמות כאלה, עליהם לשלול את האפשרות כי מדובר בסטייה סטטיסטית.
 
החישובים שביצעו המדענים בשבועות האחרונים, שבהם מילא פרופ' גרוס תפקיד מרכזי, הראו ברמת דיוק רבה, כי בדיוק במקום שבו צפוי היה להימצא חלקיק ה"היגס", נמצא חלקיק חדש, הדומה במאסתו למאסה הצפויה של ה"היגס". הניסוח הזהיר הזה נועד להשאיר מקום לאפשרות שבדיוק בטווח המאסות הזה נמצא חלקיק חדש שאינו ה"היגס". הסיכוי שזה המצב הוא, ככל הנראה, לא גדול. עם זאת, פיסיקאים רבים אומרים שאם יתברר שאלה הם באמת פני הדברים, כי אז יהיה כאן "מעניין באמת".
 
CERN
מדעני סר"ן תרמו תרומה מרכזית לפיתוח שפות המחשב והתפיסות 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.
 
מאיץ ה-LHC מבוסס על אלקטרו-מגנטים מוליכי-על, הפועלים בטמפרטורות נמוכות מאוד: פחות משתי מעלות מעל האפס המוחלט (מינוס 271 מעלות צלסיוס), והוא מפיק כמיליארד התנגשויות חלקיקים בשנייה. 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.
 
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, והכוללים מיליון וחצי ערוצי אלקטרוניקה. רוב גלאי המיואונים במבנה המכני הגדול הזה בנויים ממרכיבים שיוצרו בישראל. מערכת לייזרים ייחודית עוקבת אחר מיקומם המדויק של הגלאים, בדיוק של 25 מיקרון (חצי מעוביה של שערת אדם).
 
 
אילוסטרציה המתארת התנגשות חלקיקים
 
 
סרטון (באנגלית) המתאר את המרוץ אחר חלקיק ה"היגס" 
 
מידע נוסף לעיתונאים – ותמונות – אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856
 
חלל ופיסיקה
עברית

מדענים ממכון ויצמן למדע השתתפו בפיתוח שיטה שאולי תסייע במדידת חומר אפל

עברית
צוות מדענים בין-לאומי, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, הודיעו היום (חמישי) כי הצליחו להשיג את הרגישות הרבה ביותר עד כה, בחיפוש אחר חלקיקי החומר האפל, שלפי תיאוריה רווחת, מהווים יותר מ-80% מהחומר ביקום. המדענים לא הצליחו למצוא עדות לקיומו של חומר אפל, אבל הניסוי שביצעו הראה שעלה בידם לפתח דרך לביצוע מדידה רגישה במיוחד, שתוכל למדוד בעתיד חלקיקי חומר אפל – אם הם אכן קיימים. בניסוי משתתפים כ-60 מדענים מ-14 מוסדות מחקר בתשע מדינות, ובהם פרופ' עילם גרוס, פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עמוס ברסקין ותלמיד המחקר עופר ויטלס ממכון ויצמן למדע.
 
לאחר מאה ימים של איסוף נתונים באמצעות גלאי המבוסס על קסנון נוזלי, הפועל בעומק האדמה במעבדת גראן סאסו שבאיטליה, לא נמצאו כל עדויות לקיומם של חלקיקים מאסיביים בעלי אינטראקציה חלשה עם חומר. חלקיקים אלה, המכונים בקיצור WIMPs, נחשבים למועמדים מובילים להוות את החומר האפל.
 
תצפיות קוסמולוגיות רבות מצביעות בעקביות על כך שרק 17% מהחומר ביקום הוא "חומר רגיל", כפי שאנו מכירים אותו. יתר 83 האחוזים עשויים מחומר שאינו פולט אור, כך שאיננו יכולים לראותו – אם כי כבידתו משפיעה על סביבתו. עובדה זו מתיישבת במידה מסוימת עם חיזויים הקשורים בפיסיקה של "עולם החלקיקים הזעירים", שכן הרחבה הכרחית של המודל הסטנדרטי – התיאוריה המקובלת בפיסיקה של חלקיקים - מובילה לתחזית שלפיה חלקיקים אקזוטיים וחדשים אכן קיימים, וחלקיקים אלה הם מועמדים מושלמים למלא את תפקידו של החומר האפל.
 
החיפוש אחר חלקיקי WIMPs מונע, אם כן, הן על-ידי מחקר בתחום הקוסמולוגיה והן על-ידי מחקרים בפיסיקה של חלקיקים. רמז נוסף לקיומם מגיע מהעובדה כי חישוב השכיחות שלהם מאז ימי המפץ הגדול תואמת את הכמות החזויה של החומר האפל. מאחורי מחקר חלקיקי ה-WIMPs, והרצון לזהות אותם באופן ישיר, ניצבת השאיפה להשלים פיסה מרכזית החסרה בתמונת היקום שלנו.
 
טבעו ותכונותיו של החומר האפל נחקרים באמצעות מגוון גישות ושיטות המספקים עדויות עקיפות בלבד. על פי החיזוי, מאסתם של חלקיקי ה-WIMPs היא דומה לזו של גרעיני האטומים, אבל הסיכוי שהם יתנגשו בגרעיני האטומים של חומר רגיל היא נמוך מאוד. לכן, קשה מאוד לגלותם.
 
לפי תפיסה אחת, חלקיקים אלה יוצרים ענן עצום סביב הגבולות הנראים של הגלקסיה שלנו, וכדור-הארץ, יחד עם השמש, חוצים את הענן הזה במסעם דרך הגלקסיה. באופן זה נוצרת "רוח של חלקיקי WIMPs", אשר עשויה, מפעם לפעם, לפזר גרעיני אטומים בגלאים הממוקמים על כדור-הארץ, ולהשאיר כמויות קטנטנות של אנרגיה, אותה אפשר לזהות באמצעות מכשור רגיש ביותר.
 
בניסוי ה-XENON100, משמשים 62 ק"ג של קסנון נוזלי כמעין מטרה לפגיעת חלקיקי WIMPs. הנוזל, בטמפרטורה של 90 מעלות צלסיוס מתחת לאפס, מצוי במיכל של פלדת אל-חלד המצויד במערכת קירור אשר שומרת על תנאים קבועים. הניסוי ממוקם במעבדה התת-קרקעית מתחת להר גראן סאסו (Gran Sasso) באיטליה, שם שכבת סלע בעובי 1,400 מטר מגנה על הגלאי מפני קרינת רקע קוסמית רדיואקטיבית. שכבות של חומרים בולעי קרינה – אקטיביים ופסיביים – המקיפים את הגלאי, מקנים לו הגנה נוספת. אלה כוללים 100 ק"ג של קסנון נוזלי פעיל הפולט הבזקי אור כאשר פוגעת בו קרינה רדיואקטיבית; כשני טון נחושת טהורה, 1.6 טון פוליאתילן וכ-34 טון של עופרת ומים. רכיבי הגלאי עשויים מחומרים טהורים, במטרה ליצור סביבה נקייה ככל האפשר מרעשי רקע.
 
חלקיקים המקיימים אינטראקציות עם החומר שבמיכל הקסנון הנוזלי מעוררים ומייננים את אטומי הקסנון, וכך גורמים לפליטה מיידית של אור מהבהב בתחום האולטרה-סגול. פליטה נוספת של אור מתרחשת בשלב מאוחר יותר, כתוצאה ממעברם של האלקטרונים המיוננים אשר חוצים את שכבות הנוזל. כאשר מגיעים אלקטרונים אלה לפני השטח, בו יש מעבר ממצב צבירה נוזלי לגזי, הם מואצים לתוך הגז ופולטים קרינה באורך גל זהה – 178 ננו-מטר. שני האותות, המיידי והמושהה, נקלטים על-ידי שתי מערכות גלאים, שאחת מהן ממוקמת בתחתית הנוזל, והשנייה בגז שמעליו. המדידה הבו-זמנית של שני האותות מאפשרת לפענח את רמת האנרגיה ואת המיקום המרחבי בהם התרחשה ההתנגשות, ולספק מידע על טבעה. היחס בין שני האותות והמיקום המדויק מאפשרים, בדרגת וודאות גבוהה, להבחין בין אותות שמקורם בחלקיקי WIMPs לבין רעשי רקע.
 
תוצאות שהתקבלו מניתוח נתונים שנאספו במשך כ-11 ימים, במהלך תקופת ההרצה של הניסוי באוקטובר ובנובמבר 2009, הובילו לקביעת סף עליון חדש לשיעור האינטראקציות של חלקיקי WIMPs – שיא עולמי מבחינת רמת הדיוק, עבור חלקיקי WIMPs שמאסתם אינה עולה על זו של 80 פרוטונים. ממצאים אלה התפרסמו בשנת 2010 בגיליון ה-105 של כתב העת Physical Review Letters.
 
מחקר נוסף שמטרתו למצוא את החומר האפל התבצע במשך 100 ימים בין ינואר ליוני 2010, כאשר הנתונים נאספים באופן "עיוור", מבלי לכוון את החיפוש לטווח הרצוי. לאחר חשיפת הנתונים הרלבנטיים, התגלו שלושה אירועים (התנגשויות) בטווח בו צפויות התנגשויות של חלקיקי WIMPs. התוצאות נמצאות בטווח הטעות הסטטיסטית של שני אירועים צפויים, שמקורם בקרינת רקע רדיואקטיבית. לכן, אין לטעון כי התגלו עדויות להימצאות חומר אפל, אבל לעומת זאת, נקבע סף עליון למידת העוצמה של האינטראקציות בין חלקיקי WIMPs לבין חומר רגיל. תוצאות אלה מספקות את התחום המדויק ביותר הידוע עד כה להימצאותו של החומר האפל, ומצמצמות את הטווח שנחזה על ידי תיאוריות הסופר-סימטריה של פיסיקה של חלקיקים, המתייחסות לחומר האפל.
 
פרופ' גרוס: "בניסוי ה-XENON100 הופחתו רעשי הרקע במידה הגדולה יותר מכל ניסוי אחר ברחבי העולם, שניסה להתחקות אחר החומר האפל. רעשי הרקע הפנימיים של המערכת, שמקורם בכמויות זעומות של קריפטון רדיואקטיבי המעורבבות באופן טבעי בקסנון, הופחתו בהצלחה חסרת תקדים, וביצועי הגלאי הלכו והשתפרו כתוצאה מניסוי לטעייה במהלך הפעלתו". בעוד הנתונים הולכים ונאספים, מתכוננים המדענים לדור הבא של הניסויים: גלאי ה-XENON1T יכיל 1,000 ק"ג של קסנון נוזלי כמטרה להתנגשויות של חלקיקי WIMPs באופן שיגביר את רגישותו פי 100, תוך צמצום נוסף של רעשי רקע.
 
במחקר הנוכחי השתתפו מדענים מ-14 מוסדות מחקר, מארה"ב (אוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, אוניברסיטת רייס ביוסטון); סין (אוניברסיטת ג'ייאו טונג בשנחאי); צרפת (סובטק נאנט); גרמניה (מכון מקס-פלנק בהיידלברג, אוניברסיטת מיינץ, וילהלמס יוניברסיטאט מונסטר); ישראל (מכון ויצמן למדע); איטליה (המעבדה הלאומית של גראן סאסו, INFN, אוניברסיטת בולוניה); הולנד (ניחף אמסטרדם); פורטוגל (אוניברסיטת קואימברה) ושווייץ (אוניברסיטת ציריך).
 
עקרונות זיהוי חלקיקי WIMPs באמצעות גלאי קסנון נוזלי
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
מידע נוסף – ותמונות – אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856
 
עקרונות זיהוי חלקיקי WIMPs באמצעות גלאי קסנון נוזלי
חלל ופיסיקה
עברית

מלכודת לחומר אפל

עברית
איך אפשר למצוא דבר מה, אם איננו יודעים מה אנחנו מחפשים? עם השאלה הזאת מתמודד ד"ר רן בודניק מדי יום ביומו. עד כה לא הצליח איש להוכיח את קיומו של החומר האפל או לראות אותו, אפילו לא באמצעות הטלסקופים המשוכללים ביותר ומכשירי המדידה המדויקים ביותר. ואם כך, מדוע מניחים שהוא קיים? כשמדענים מחַשבים את המאסה הנדרשת על-מנת לשמור על הגלקסיות ועל צבירי הגלקסיות בתנועה מסונכרנת, אפשר להבין שהחומר הנראה מהווה שבריר קטן מהסכום הכולל.
 
חישובים אלה, המבוססים על פיסיקה פשוטה, מראים כי כמות החומר האפל ביקום גדולה בערך פי שבעה מזו של החומר שאפשר למדוד. בנוסף להיותו בלתי-נראה לחלוטין לכל אורכי-הגל הידועים, התיאוריות המתקדמות ביותר קובעות שהחומר האפל מוכרח להיות קר. כמו כן, הוא נוכח בכל רחבי היקום, כולל סביבת כדור-הארץ.
 
אם החומר האפל עשוי מחלקיקים, ומפוזר במרחב, כנראה הוא לא בא במגע עם חומר מוחשי שניתן לראות. בין המודלים הרבים המוצעים לגבי החלקיקים המרכיבים את החומר האפל בולט במיוחד זה המבוסס על חלקיקים הקרויים WIMPs) Weakly Interacting Massive Particles). חלקיקים מאסיביים אלה, המקיימים אינטראקציות חלשות, מתאימים אפילו למודל המקובל להיסטוריית היקום – כל הדרך בחזרה למפץ הגדול.
 
מיותר לציין, שטמינת מלכודת לחלקיק מסוג היא מלאכה מאתגרת. קודם כל, מפני שהגלאים בהם משתמשים חייבים להיות קבורים עמוק באדמה, כדי שיוכלו לסנן את 99.999% מהחלקיקים הנפוצים אשר מפציצים ברציפות את פני כדור-הארץ. בניסוי בשם XENON100 הוצב מְכל בתוך מנהרה בבטן הר גראן סאסו, שברכס הרי האפנינים. את המכל מילאו ב-161 קילוגרם של קסנון טהור (היסוד היציב ביותר שאינו מגיב כימית), והוא ממתין שחלקיק WIMP יבוא במגע עם אחד מאטומי הקסנון. כאשר הדבר יתרחש, יגרום המפגש לפליטת פוטונים מהקסנון, בנוסף לכמות קטנה של אלקטרונים, ויוביל להבזק אור חלש ביותר – שייקלט בגלאים.
 
עד כה לא זוהו חלקיקי WIMP, אבל אין זה אומר שהם אינם קיימים. "ייתכן שיעברו 20 שנה עד שנצליח לתעד מפגש", אומר ד"ר בודניק, שבשיתוף עם מדענים מארצות הברית, מאיטליה, מגרמניה, מצרפת, מפורטוגל, מישראל ומאבו דאבי לוקח חלק בתכנון ובהתקנה של "מלכודת WIMPs" גדולה הרבה יותר, המכילה כמה טונות של קסנון. המדענים מקווים, כי מלכודת זאת תוכל לזהות WIMPs תוך שנה עד שנתיים. במחקר זה משתתפים מדענים נוספים ממכון ויצמן למדע, ביניהם פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עמוס ברסקין, פרופ' עילם גרוס, ד"ר הגר לנדסמן, ד"ר דניאל ללוש וד"ר לורן לוינסון.
 
ד"ר רן בודניק. חומר אפל

אישי

ד"ר רן בודניק גדל בכפר ורבורג. כשהיה בן 11 רשמו אותו הוריו לחוג מתמטיקה במכון ויצמן למדע, החלטה שגרמה לו לרצות להיות מתמטיקאי. בתיכון הוא גילה תשוקה נוספת – כדורסל – אבל במקום להצטרף לקבוצה המקומית, הוא התבקש להשתתף באולימפיאדת הפיסיקה הלאומית. בודניק זכה במקום הראשון בתחרות, שהתקיימה במכון. בהמשך זכה במדליית כסף באולימפיאדה הבין-לאומית לפיסיקה בבייג'ינג.
 
לאחר שירות קבע ביחידת "תלפיות" הצטרף בודניק למכון ויצמן למדע כתלמיד מחקר, בהנחייתו של ד"ר אלי וקסמן. הוא השלים מחקר בתר-דוקטוריאלי קצר במעבדתו של פרופ' עמוס ברסקין לפני שיצא למחקר בתר- דוקטוריאלי שני באוניברסיטת קולומביה, ניו-יורק. שם התוודע לראשונה לניסוי XENO. השנה הצטרף ד"ר בודניק למחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע.
 
ד"ר בודניק נשוי לנטע, ואב לשלושה ילדים, בני שש, ארבע וחצי ושנה. הוא עדיין נהנה לשחק כדורסל, וכשיש לו זמן, בעיקר מאוחר בלילה, הוא אוהב לקרוא.
 
 
ד"ר רן בודניק.
חלל ופיסיקה
עברית

חשיבה חיובית

עברית
 

פרופ' אלי וקסמן. קרינה קוסמית

אסטרונומים שניתחו נתונים שהעביר לוויין המחקר "פמלה" זיהו תופעה מפתיעה: שטף חזק של פוזיטרונים – שהם מעין "אלקטרונים הפוכים": הם שווים כמעט בכל לאלקטרונים, אלא שמטענם החשמלי חיובי (בעוד מטענם החשמלי של האלקטרונים, כידוע, הוא שלילי). תצפית זו עוררה, כמובן, את השאלות, כיצד נוצרים הפוזיטרונים האלה, מתי, היכן, ואיך הם מתקדמים בגלקסיה.
זה המקום לומר, שעצם קיומם של פוזיטרונים אלה אינו מפתיע. האסטרופיסיקאים, למעשה, מצפים לכמות מסוימת של פוזיטרונים אשר נוצרים כתוצאה מהתנגשות של הקרינה הקוסמית בגז הבין-כוכבי. התנגשות זו יוצרת מספר חלקיקים שבמהלך דעיכתם נוצרים, בין היתר, גם פוזיטרונים. אלא שהתצפיות האחרונות הראו, שביקום קיים שטף פוזיטרונים גדול בהרבה מהכמות שלה ציפו בהתבסס על ההתנגשויות האלה.
 
ניסיונות רבים לפתור את החידה הזאת לא צלחו, וכך עלו השערות, כי הכמות הגדולה למדי של פוזיטרונים עודפים נוצרת בתהליך שבו מעורב "החומר האפל", שיש סימנים שונים לקיומו (במיוחד הכבידה שהוא מפעיל, כנראה).
 
פרופ' אלי וקסמן ותלמידי המחקר (דאז), כפיר בלום ובועז כץ, ניסו למצוא פתרון לתעלומה מבלי להסתמך על החומר האפל, תוך ניסיון להבין כיצד מתקדמים הפוזיטרונים האלה בגלקסיה. על אף שלא קיים מודל בסיסי המתאר את תנועת הפוזיטרונים בגלקסיה, הם הצליחו למצוא דרך לחשב חסם עליון לכמותם של הפוזיטרונים שייווצרו וינועו בגלקסיה, גם ללא הסתמכות על חומר אפל כלשהו.
 
נתונים שהגיעו באחרונה מלוויין המחקר AMS הראו, שאכן, שטף הפוזיטרונים אינו עובר את החסם העליון שחישבו מדעני המכון, אלא מתקרב אליו באנרגיות גבוהות. לפיכך, מקור הפוזיטרונים הוא ככל הנראה בהתנגשויות קרינה קוסמית בגז הבין-כוכבי, ואין צורך להניח שבתהליך היווצרותם מעורב חומר אפל כלשהו. הודות להבנה זו מספקות כעת מדידות AMS מידע חשוב על בריחת הקרינה הקוסמית מהגלקסיה לחלל הבין-גלקטי.
 
פרופ' אלי וקסמן
חלל ופיסיקה
עברית

אורחים מקצה היקום

עברית
גלאי .IceCubeתמונה: ג'יימי יאנג/NSF ו-IceCube Collaboration
נקודת מבט חדשה עשויה לאפשר לנו לראות דברים שלא ראינו קודם. באותה מידה, קליטה ומדידה של חלקיקים מסוגים שונים עשויה לחשוף לפנינו "תמונות עולם" שונות ומשלימות. למשל, כשאנו מתבוננים ביקום, אנחנו קולטים ומודדים, בדרך כלל, גלי אור באורכי-גל שונים (חלקם נראים לעין האדם וחלקם אינם נראים). אבל בשני מקרים בעבר נוכחנו לדעת, שהתבוננות בחלקיקי ניטרינו (ניטרינים) אשר מגיעים אלינו ממקורות שונים ביקום עשויה לאפשר תובנות חדשות לגבי העולם. בשני המקרים היה מדובר בניטרינים שהגיעו אלינו ממקורות קרובים יחסית: סופרנובה 1987A התפוצצה בגלקסיה סמוכה, והניטרינים שהגיעו ממנה סיפקו אישור לכך שהפיצוץ נבע מקריסה כבידתית של הכוכב שהפך לכוכב ניטרונים; חלקיקי הניטרינו שהגיעו מהשמש שלנו איפשרו לנו להבין את מנגנון הפקת האנרגיה שמתחולל בליבתה, ולמדוד את מאסת הניטרינים.
רמזים שעלו במחקרים תיאורטיים שונים הם, כי שני מקרים אלה אינם אלא קצה הקרחון, ושלמעשה, ניטרינים אשר עשויים להגיע אלינו ממרחקים קוסמולוגיים, ממרחבי היקום, יוכלו ללמד אותנו על תהליכים שאי-אפשר להבחין בהם באמצעות גלי אור. מדובר, למעשה, בסוג חדש לחלוטין של אסטרונומיה. למשל, אנו יודעים שבמרחבי היקום פועלים מאיצי חלקיקים טבעיים החזקים פי 100 מיליון ממאיץ החלקיקים הגדול (LHC), אשר מותקן במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, שליד ז'נבה. אנחנו יודעים על המאיצים האלה, מכיוון שהחלקיקים שהם "משגרים" אלינו פוגעים בעוצמה רבה בשכבה העליונה של האטמוספירה, וגורמים בכך ל"מטר" של חלקיקים היורדים אל תוך האטמוספירה, ונקלטים במכשירי המדידה שלנו. אבל איפה בדיוק ממוקמים המאיצים האלה? אילו חלקיקים הם מאיצים? פרוטונים? גרעינים כבדים? איך בדיוק הם מאיצים את החלקיקים למהירויות גבוהות כל כך? כל השאלות האלה מרתקות אסטרופיסיקאים ברחבי העולם.
 
בתמונה העליונה: גלאי .IceCubeג'יימי יאנג/NSF ו-IceCube Collaboration. בתמונה התחתונה: מימין נראה אירוע שבו גילה הגלאי חלקיק ניטרינו שנוצר באטמוספירה והגיע לגלאי לאחר שעבר דרך כל כדור-הארץ. משמאל נראה אירוע של גילוי חלקיק קרינה קוסמית שהגיע לגלאי לאחר שעבר באטמוספירה בלבד
פרופ' אלי וקסמן, מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, הציע כי המאיצים המרוחקים פועלים בקרבת חורים שחורים צעירים שמאסתם דומה לזו של השמש, האחראים גם ליצירתם של הבזקים חזקים של קרני גמא. בעבודת המשך, שביצע יחד עם פרופ' ג'ון בקל מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון, הציעו השניים מודל שחזה, כי בתהליך ההאצה ייווצרו חלקיקי ניטרינו אנרגטיים.
חלקיקי ניטרינו הם חסרי מטען, כמעט חסרי מאסה, והם ממעטים לקיים קשרי-גומלין עם מרכיבי חומר אחרים. במילים אחרות, הם מגיעים מקצות היקום, חולפים דרך כל מה שניצב בדרכם, כולל כדור-הארץ ובני-אדם שחיים על פניו – וממשיכים בדרכם ליעדים לא ידועים. קליטה וזיהוי של ניטרינים אלה, אשר מגיעים לכאן ממקורות רחוקים, עשויים להיות תחילתה של אסטרונומיה חדשה, ואולי אפילו של פיסיקה חדשה. השאלה היא, כמובן, איך קולטים ומודדים חלקיקים אנרגטיים ש"לא סופרים אותנו", וכמעט שאינם מקיימים יחסי-גומלין עם שום חומר אחר.
 
אם לא די בקושי המובנה הזה, הוסיפו וקסמן ובקל, כתוצאה ממחקר משותף נוסף, חסם עליון לכמותם של החלקיקים האלה, שלפיו (ללא תלות במקור הניטרינים האלה) יגיע לכדור-הארץ חלקיק אחד, לקילומטר רבוע, במשך שנייה. מהחסם העליון הזה נגזר, שגלאי בגודל של מיליארד טונות שיוצב על כדור-הארץ יגלה, במשך שנה שלמה, לא יותר מכמה עשרות בודדות של חלקיקי ניטרינו אנרגטיים שמקורם באותם מקורות קוסמולוגיים רחוקים. כיוון שברור כי אין אפשרות לבנות גלאי כזה, פנו המדענים אל הטבע. כך החלו לבנות גלאי ענק בכיפת הקרח העוטפת את אנטארקטיקה. הגלאי השלם נוצר למעשה מרשת של גלאים קטנים שמותקנים בעומק הקרח האנטארקטי.
 
פרופ' אלי וקסמן
בניית הגלאי הענק נמשכה כמה שנים, ונשלמה באחרונה. מנתונים שנאספו בגלאי בשנתיים האחרונות (בשלבים האחרונים של בנייתו ומאז השלמתו), עולה שבתקופה זו התגלו בגלאי כמה עשרות חלקיקי ניטרינו - מספר קרוב מאוד לחסם העליון של וקסמן ובקל. מתוצאה זו עולה, שהניטרינים אשר התגלו אכן הגיעו ממקורות קוסמולוגיים רחוקים, וכן שהשיקולים שעל-פיהם יצרו וקסמן ובקל את המודל שלהם, נכונים. בין אלה אפשר למנות את הנחות היסוד הבאות: המאיצים (שטיבם עדיין אינו ידוע) מפוזרים ביקום באופן שווה; הם מאיצים פרוטונים, ותוך כדי כך נוצרים ניטרינים; סוגי הניטרינים השונים מגיעים אלינו בכמויות שוות; קצב ההאצה של המאיצים עולה עם המרחק. כלומר, מאיץ רחוק יותר, שהוא "עתיק יותר", מפיק יותר חלקיקים ליחידת זמן (או שצפיפות המאיצים עולה ככל שמרחיקים אל העבר); חלק ניכר מהאנרגיה של המאיצים משמש להפקת חלקיקי הניטרינו.
 
פרופ' וקסמן אומר, שיש לחזור ולבחון נתונים נוספים שיאסוף הגלאי האנטארקטי בשנים הקרובות, ושעדיין עומדת לפנינו תעלומת מקורותיהם של החלקיקים המואצים. כך או כך, נראה שמעתה יעמדו לרשות המדענים כלים ונתונים שיאפשרו לפתח אסטרונומיה ואסטרופיסיקה מסוג חדש, ובין היתר לבחון הנחות שונות העומדות בבסיס תורת היחסות בדיוק רב בהרבה בהשוואה ליכולתנו כיום. וכאמור, התבוננות בדרכים שונות עשויה לגלות לנו עובדות שלא ידענו על היקום שבו אנו חיים.
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 

 

גלאי .IceCubeתמונה: ג'יימי יאנג/NSF ו-IceCube Collaboration
חלל ופיסיקה
עברית

החלקיק שכולם חיכו לו

עברית
 

מימין: פרופ' גיורא מיקנברג, פרופ' עילם גרוס ופרופ' אהוד דוכובני. מסע ארוך

מסע ארוך ומורכב לגילוי חלקיק ה"היגס", שהתחיל בצעד אחד לפני כ-25 שנים, הגיע באחרונה, ככל הנראה, לקו המטרה. כך דיווחו מדעני מאיץ החלקיקים LHC שבמעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, שליד ז'נבה.

ה"היגס" הוא אבן הבניין האחרונה שהייתה חסרה בתיאוריית "המודל הסטנדרטי", המתארת את מבנה החומר ביקום. הוא מאפשר לאחד שני כוחות טבע ולהראות שהם, למעשה, היבטים שונים של כוח אחד בסיסי יותר. בנוסף, הוא אחראי לקיומן של מאסות החלקיקים היסודיים.
מדעני מכון ויצמן למדע מילאו תפקיד מרכזי במסע החקר הזה, לאורך כל שנותיו. פרופ' גיורא מיקנברג עמד במשך שנים רבות בראש קבוצת המחקר שחיפשה את ה"היגס" בניסוי "אופאל" בסר"ן. לאחר מכן עמד בראש קבוצת המחקר שבנתה את גלאי המיואונים בניסוי אטלס – אחד משני הניסויים שבהם התגלה בסופו של דבר החלקיק. פרופ' אהוד דוכובני מוביל את קבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע, ועומד כיום בראש צוות מחקר שבוחן שאלות מרכזיות אחרות בסר"ן. פרופ' עילם גרוס מרכז כיום את קבוצת הפיסיקה המחפשת אחר חלקיקי היגס בניסוי אטלס. זהו גם סיפור על "סב, אב ובן" מדעיים: פרופ' מיקנברג הוא מורהו של פרופ' דוכובני, ושניהם יחד היו מוריו של פרופ' גרוס. יחד איתם עבדו פרופ' ולדימיר סמכטין, ד"ר דניאל ללוש וד"ר לורן לוינסון. את הצוות הטכני הוביל מאיר שועה.

פרופ' עילם גרוס: "זה היום הגדול בחיי. מאז היותי סטודנט, בשנות ה-80, אני מחפש את ה'היגס'. עדיין קשה להאמין איך 25 שנה מתמצות בגילוי שהגיע באופן מפתיע. לא חשוב איך קוראים לזה - מעכשיו אנחנו לא מחפשים יותר 'היגס' - אנחנו מודדים את תכונותיו. זה היום המאושר בחיי - לזה ציפיתי, ולא פיללתי שכשזה יקרה אני אהיה בעמדה כה בכירה בצוות החיפוש העולמי".

עבור 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 כ"הרכבים שונים" של מעט חלקיקים בסיסיים. את ארבעת הכוחות הפועלים בין החלקיקי האלה (הכוח החלש, האחראי לתופעת הרדיואקטיביות; הכוח האלקטרומגנטי; הכוח החזק, האחראי לקיומם של פרוטונים וניטרונים; והכבידה) 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 אשר נושא את הכוח הזה).

הצעד הראשון במסע לאיחוד הכוחות הושלם עם גילויו הכמעט ודאי של חלקיק ה"היגס" - איחודם של שני כוחות: הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש, בכוח בסיסי וקדום יותר, הקרוי הכוח האלקטרו-חלש. החלקיק שנושא את הכוח האלקטרומגנטי הוא הפוטון. את הכוח החלש נושאים חלקיקי "W" ו-"Z", שהם בעלי מאסה שנמדדה במדויק בניסוי שבו השתתפו מדעני מכון ויצמן למדע. מאסת ה-"W" וה-"Z" מוענקת להם על-ידי ה"היגס", הקרוי על-שמו של הפיסיקאי הסקוטי פטר היגס.


המכונה הגדולה בעולם

במאמץ לגלות את ה"היגס", לאחד את הכוחות ולהבין את מקור המאסה ביקום, בנו המדענים את המכונה הגדולה בעולם: מאיץ חלקיקים אשר נבנה במנהרה מעגלית שאורכה 27 קילומטרים, והיא נחפרה בעומק של כ-100 מטרים מתחת לפני הקרקע, באיזור הגבול שבין צרפת לשווייץ, במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, ליד ז'נבה.

המאיץ הזה, הקרוי LHC (קיצור של Large Hadron Colider), מאיץ אלומות של פרוטונים עד למהירות קרובה מאוד למהירות האור (99.999998% ממהירות האור), כך שעל-פי תורת היחסות, מאסתם גדלה עד פי 7,500 ממאסתם הרגילה במצב מנוחה. הוא מכוון את האלומות זו לעומת זו, וגורם התנגשויות אדירות אנרגיה שמנפצות את החלקיקים ויוצרות, למשך הרף עין, מערכת אנרגטית מאוד, הדומה למצב שהיה קיים בשברירי 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. כתוצאה מכך חוזרת האנרגיה והופכת לחלקיקי חומר, העוברים ומשחזרים אותו תהליך רב-שלבי, עד שהם יוצרים את החלקיקים המסוגלים להתקיים במציאות המוכרת לנו.

תוצרי ההתנגשויות הם חלקיקים אנרגטיים שחלקם מתקיימים 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.
 

סטטיסטיקה

הבעיה היא, שהסיכוי לקבל בהתנגשות בודדת את חלקיק ה"היגס" שקול לסיכוי לשלוף תא חי בודד מתוך עלה מסוים של צמח הגדל על פני כדור-הארץ בהושטת יד אקראית. כדי להתמודד עם המשימה הזאת פיתחו מדעני מכון ויצמן למדע, בראשות פרופ' מיקנברג, גלאי חלקיקים ייחודים, שיוצרו במכון, ביפן ובסין. גלאים אלה מותאמים לגילוי חלקיקי מיואון, הנוצרים כתוצאה מהתפרקות של חלקיק ה"היגס", כלומר, גילויים מהווה עדות נסיבתית לקיום קודם של חלקיקי "היגס".

המדענים ניתחו נתונים שעלו מאלף טריליון התנגשויות פרוטונים, שבהן נוצרים חלקיקי "היגס", לצד חלקיקים דומים רבים נוספים. חיפוש סימנים אפשריים לקיומו של ה"היגס" נעשה באמצעות איתור אי-התאמות בנתונים הסטטיסטיים (בהשוואה לנתונים הצפויים להתקבל אם החלקיק אינו קיים). חיפוש זה מתמקד בתחום המאסה המשוערת של החלקיק: 126 טריליון אלקטרון-וולט (GeV). כאשר המדענים מצליחים לאתר אי-התאמות כאלה, עליהם לשלול את האפשרות כי מדובר בסטייה סטטיסטית.

החישובים שביצעו המדענים בשבועות האחרונים, שבהם מילא פרופ' גרוס תפקיד מרכזי, הראו ברמת דיוק רבה, כי בדיוק במקום שבו צפוי היה להימצא חלקיק ה"היגס", נמצא חלקיק חדש, הדומה במאסתו למאסה הצפויה של ה"היגס". הניסוח הזהיר הזה נועד להשאיר מקום לאפשרות, שבדיוק בטווח המאסות הזה נמצא חלקיק חדש שאינו ה"היגס". הסיכוי שזה המצב הוא, ככל הנראה, לא גדול. עם זאת, פיסיקאים רבים אומרים שאם יתברר שאלה הם באמת פני הדברים, כי אז יהיה כאן "מעניין באמת".
 

אילוסטרציה המתארת התנגשות חלקיקים

CERN

מדעני סר"ן תרמו תרומה מרכזית לפיתוח שפות המחשב והתפיסות 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 ועל הכלכלה מזכירה במשהו את תוכנית החלל האמריקאית.

מאיץ ה-LHC מבוסס על אלקטרו- מגנטים מוליכי-על, הפועלים בטמפרטורות נמוכות מאוד: פחות משתי מעלות מעל האפס המוחלט (מינוס 271 מעלות צלסיוס), והוא מפיק כמיליארד התנגשויות חלקיקים בשנייה. 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.

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 גלאי המיואונים במבנה המכני הגדול הזה בנויים ממרכיבים שיוצרו בישראל. מערכת לייזרים ייחודית עוקבת אחר מיקומם המדויק של הגלאים, בדיוק של 25 מיקרון (חצי מעוביה של שערת אדם).
 
 
אילוסטרציה המתארת התנגשות חלקיקים
חלל ופיסיקה
עברית

מדע על הקרח

עברית

מסעותיה של מדענית צעירה אל הקוטב הדרומי – ובחזרה

ד"ר הגר לנדסמן (פלס) בנקודת הקוטב הדרומי
יש אנשים שחשים בני מזל כאשר הטמפרטורה – בקיץ - עולה ל-40 מעלות מתחת לאפס. אותם אנשים חיים מתחת לשמש אשר מאירה ללא הפסקה. אלה המדענים שעובדים בתחנת המחקר הבין-לאומית בקוטב הדרומי, באנטארקטיקה. ד"ר הגר לנדסמן (פלס), מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, היא אחת מהמדענים האלה.
 
ד"ר לנדסמן חברה בצוות המחקר הבין-לאומי IceCube, הקרוי על-שמו של טלסקופ ייחודי אשר עוקב אחר חלקיקים הקרויים ניטרינו, ולא, כמקובל, אחר חלקיקי אור. למרות שהם נפוצים מאוד, קשה מאוד לזהות חלקיקי ניטרינו: הם כמעט חסרי מאסה, אינם טעונים חשמלית, וכמעט אינם מקיימים אינטראקציות עם חומר רגיל. הדרך היחידה להבחין בקיומם היא באמצעות סימנים הנותרים לאחר אותן אינטראקציות נדירות.
 
בשנים האחרונות הצטבר מידע רב על חלקיקים חמקמקים אלו – כמו, לדוגמה, העובדה שהם יכולים לשנות את סוגם בעודם חולפים בחלל – אך הנסתר עדיין רב על הגלוי. אחת התעלומות הלא-פתורות נוגעת למקורם של חלקיקי ניטרינו אנרגטיים במיוחד, אשר מעורבים בתופעה הקוסמית הידועה כהתפרצות קרני גאמא. תצפית בחלקיקי ניטרינו הנפלטים בהתפרצויות אלה עשויה לסייע למדענים להבין את מקורם ואת האופן בו הם נוצרים. בנוסף, המדענים סבורים שחלקיקי הניטרינו קשורים לקרניים קוסמיות מיסתוריות, ועשויים לספק רמזים שיסבירו תופעות מוזרות המאפיינות קרניים אלה. חלקיקי הניטרינו עשויים אף לשפוך אור על צדדיו האפלים של היקום – לדוגמה, החומר האפל. "החל משחר ההיסטוריה אנשים השתמשו בחלקיקי אור – פוטונים – כדי לצפות ביקום", אומרת ד"ר לנדסמן. "טלסקופ IceCube משתמש בחלקיקי ניטרינו לצורך מחקר אסטרונומי, ומעניק לנו נקודת מבט חדשה ומלהיבה על היקום".
 
ד"ר לנדסמן שותפה לצוות IceCube זה שמונה שנים, מאז קיבלה את התואר השלישי מהטכניון שבחיפה, במסגרת מחקרה הבתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת ויסקונסין. התפקיד העיקרי שלה הוא לכייל ולבחון את 5,000 גלאי הטלסקופ, ולוודא כי הם פועלים כראוי.
 
ה-IceCube, שבנייתו הושלמה רק בשנה שעברה, מורכב ממערך עצום של גלאים, בנפח של קילומטר מעוקב, אשר קבורים בעומק של שניים וחצי קילומטרים מתחת לקרח האנטארקטי. בעומק זה שוררת חשיכה מוחלטת, ולכן אפשר להבחין בהבזקים נדירים של אור, המתרחשים אך ורק באותם מקרים ספורים בהם חלקיקי ניטרינו באים במגע עם הקרח. בעומקים אלה הקרח צלול ושקוף כזכוכית, והבזקי האור יכולים לעבור מרחק של מאות מטרים, ולהיקלט בגלאי ה-IceCube.
 
כל גלאי – שגודלו כגודל כדורסל – נבחן ומכויל במשך מספר חודשים, שכן לאחר קבורתו במעמקי הקרח אין כל דרך לתקן או להזיז אותו, ובכל זאת עליו לפעול כראוי במשך העשור הבא. את הבדיקות והכיוונונים האחרונים מבצעת ד"ר לנדסמן בקוטב הדרומי – זמן קצר לפני שהגלאי נטמן במקומו.
 
ד"ר הגר לנדסמן
מסעותיה אורכים כארבעה שבועות: שלושה מהם באתר עצמו, ושבוע נמשכות הנסיעות. תנאי מזג האוויר הקיצוניים הבלתי-צפויים אף עשויים להאריך את משך הנסיעה במספר ימים. משהגיעה לקוטב, ד"ר לנדסמן עובדת מסביב לשעון – לא רק בגלל העובדה שהשמש זורחת במשך כל היממה, אלא גם משום שהיא מרגישה צורך לנצל בצורה הטובה ביותר את הזמן הקצר שהיא נמצאת במקום. "כל הצוות בתחנת הקוטב הדרומי, המונה כ-150 מדענים, מהנדסים ואנשי תמיכה טכניים – עובד כך. הגעת האנשים לשם כרוכה בעלות גבוהה מאוד, ולכן רק אנשים חיוניים באמת מורשים להגיע לתחנה. את מרבית עבודות התחזוקה – החל מניקוי בתי השימוש ועד שטיפת הכלים – עושים כולנו".
 
מרבית עבודתה של ד"ר לנדסמן נעשית תחת כיפת השמיים. השהייה בגובה של 2,800 מטר מעל פני הים עשויה לגרום מחלת גבהים, והיובש הקיצוני מהווה בעיה גדולה עוד יותר מהקור. תנאים אלה מאיטים את קצב העבודה. "במקרה ששכחת מברג, תבזבז שעתיים יקרות כדי לחזור לקחת אותו", היא אומרת. בתוך התחנה לא מופעל חימום, כדי לחסוך בחשמל, והמקלחות מוגבלות לשתי דקות, פעמיים בשבוע. "אפשר להתרגל לכל דבר", אומרת ד"ר לנדסמן. מדי פעם מופסקת העבודה הקשה לצורך בילויים – כמו, לדוגמה, המירוץ המסורתי מסביב לעולם שמתקיים בחג המולד, במהלכו מקיפים אנשי הצוות את הקוטב, כשהם מלווים במזחלות שלג שעיצבו מהנדסי התחנה במיוחד לרגל האירוע.
 
נסיעתה האחרונה של ד"ר לנדסמן הייתה ליעד קרוב הרבה יותר – איטליה. במכון ויצמן היא נמנית עם הקבוצה של פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עילם גרוס ופרופ' עמוס ברסקין, במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה. היא חברה בצוות המכון המשתתף בפרויקט ה-XENON, שמטרתו לנסות לאתר עדויות לקיומם של חלקיקי חומר אפל באמצעות גלאי הממוקם במעמקי האדמה במעבדה הלאומית גראן-סאסו שבאיטליה. הצוות בונה בימים אלה גלאי חדש, המכיל טונה של קסנון נוזלי. ד"ר לנדסמן מעורבת הן בניתוח הנתונים והן בתכנון המכשיר החדש.
 
נוסף על כך, היא שותפה בתכנון ובפיתוח של פרויקט ניטרינו נוסף בקוטב הדרומי. הפרויקט, המכונה ARA, צפוי להשתרע על שטח של 100 קילומטרים רבועים, ובו גלאים הממוקמים במרחק של קילומטר זה מזה. גלאים חדשים אלה מזהים גלי רדיו – ולא גלי אור – ולכן ניתן למקם אותם קרוב יותר לפני הקרקע, בעומק של 200 מטר בלבד. ד"ר לנדסמן מתארת את ה-ARA כרשת ענקית, המתוכננת לתפוס דגים שמנים במיוחד – חלקיקי ניטרינו בעלי אנרגיות גבוהות.
 
הגר לנדסמן (פלס) נשואה לעדי, גם הוא חבר בצוות IceCube. מאחר שהוא מעורב בהיבטים הניהוליים של הפרויקט, נסיעות העבודה שלו מובילות אותו לוויסקונסין – ולא לקוטב הדרומי. הוא מרוצה מהעובדה שהפרויקט, שעלותו כ-300 מיליון דולר, הושלם בזמן, ובתקציב נמוך מעט מזה שהוקצב לו. לזוג שני ילדים, בן ובת, שכנראה לא מבינים בדיוק מה אמם עושה רחוק כל כך מהבית. "כשהייתה צעירה יותר, בתי סיפרה לכל מי ששאל אותה, שאמא שלה נוסעת לאנטארקטיקה כדי להאכיל את הפינגווינים בניטרינו".
 
 
חלל ופיסיקה
עברית

אפל אבל פחות

עברית

מדענים ממכון ויצמן למדע השתתפו בפיתוח שיטה שאולי תסייע במדידת חומר אפל

צוות מדענים בין-לאומי, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, הודיע באחרונה כי הצליחו להשיג את הרגישות הרבה ביותר עד כה בחיפוש אחר חלקיקי החומר האפל, שלפי תיאוריה רווחת, מהווים יותר מ- 80% מהחומר ביקום. המדענים לא הצליחו למצוא עדות לקיומו של חומר אפל, אבל הניסוי שביצעו הראה כי עלה בידם לפתח דרך לביצוע מדידה רגישה במיוחד, שתוכל למדוד בעתיד חלקיקי חומר אפל - אם הם אכן קיימים. בניסוי משתתפים כ-60 מדענים מ-14 מוסדות מחקר ב-9 מדינות, ובהם פרופ' עילם גרוס, פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עמוס ברסקין, ותלמיד המחקר עופר ויטלס ממכון ויצמן למדע.
מימין: פרופ' עילם גרוס, פרופ' עמוס ברסקין, עופר ויטלס ופרופ' אהוד דוכובני. חומר אפל
לאחר 100 ימים של איסוף נתונים באמצעות גלאי המבוסס על קסנון נוזלי, הפועל בעומק האדמה במעבדת גראן סאסו (Gran Sasso) שבאיטליה, לא נמצאו כל עדויות לקיומם של חלקיקים מאסיביים בעלי אינטראקציה חלשה עם חומר. חלקיקים אלה, המכונים בקיצור WIMPs, נחשבים למועמדים מובילים להוות את החומר האפל.
 
תצפיות קוסמולוגיות רבות מצביעות בעקביות על כך, שרק 17% מהחומר ביקום הוא "חומר רגיל", כפי שאנו מכירים אותו. יתר 83% עשויים מחומר שאינו פולט אור, כך שאיננו יכולים לראותו - אם כי כבידתו משפיעה על סביבתו. עובדה זו מתיישבת במידה מסוימת עם חיזויים הקשורים בפיסיקה של "עולם החלקיקים הזעירים", שכן הרחבה הכרחית של המודל הסטנדרטי - התיאוריה המקובלת בפיסיקה של חלקיקים - מובילה לתחזית שלפיה חלקיקים אקזוטיים וחדשים אכן קיימים, וחלקיקים אלה הם מועמדים מושלמים למלא את תפקידו של החומר האפל.
 
החיפוש אחר חלקיקי WIMPs מונע, אם כן, הן על-ידי מחקר בתחום הקוסמולוגיה, והן על-ידי מחקרים בפיסיקה של חלקיקים. רמז נוסף לקיומם מגיע מהעובדה שחישוב השכיחות שלהם מאז ימי המפץ הגדול תואם את הכמות החזויה של החומר האפל. מאחורי מחקר חלקיקי ה-WIMPs, והרצון לזהות אותם באופן ישיר, ניצבת השאיפה להשלים פיסה מרכזית החסרה בתמונת היקום שלנו.
 
טבעו ותכונותיו של החומר האפל נחקרים באמצעות מיגוון גישות ושיטות המספקות עדויות עקיפות בלבד. על פי החיזוי, מאסתם של חלקיקי ה-WIMPs דומה לזו של גרעיני האטומים, אבל הסיכוי שהם יתנגשו בגרעיני האטומים של חומר רגיל הוא זעום. לכן, קשה מאוד לגלותם. לפי תפיסה אחת, חלקיקים אלה יוצרים ענן עצום סביב הגבולות הנראים של הגלקסיה שלנו, וכדור-הארץ, יחד עם השמש, חוצים את הענן הזה במסעם דרך הגלקסיה. כך נוצרת "רוח של חלקיקי WIMP", אשר עשויה, מפעם לפעם, לפזר גרעיני אטומים בגלאים הממוקמים על כדור-הארץ, ולהשאיר כמויות קטנטנות של אנרגיה, אותה אפשר לזהות באמצעות מיכשור רגיש ביותר.
 
בניסוי ה-XENON100 משמשים 62 ק"ג של קסנון נוזלי כמעין מטרה לפגיעת חלקיקי WIMPs. הנוזל, בטמפרטורה של 90 מעלות צלסיוס מתחת לאפס, מצוי במיכל של פלדת אל-חלד המצויד במערכת קירור אשר שומרת על תנאים קבועים. הניסוי ממוקם במעבדה התת-קרקעית מתחת להר גראן סאסו באיטליה, שם מגינה שכבת סלע בעובי 1,400 מטר על הגלאי מפני קרינת רקע קוסמית רדיואקטיבית. שכבות של חומרים בולעי קרינה - אקטיביים ופסיביים - המקיפים את הגלאי, מקנים לו הגנה נוספת. אלה כוללים 100 ק"ג של קסנון נוזלי פעיל הפולט הבזקי אור כאשר פוגעת בו קרינה רדיואקטיבית; כשתי טונות נחושת טהורה, 1.6 טונה פוליאתילן וכ-34 טונות של עופרת ומים. רכיבי הגלאי עשויים מחומרים טהורים, במטרה ליצור סביבה נקייה ככל האפשר מרעשי רקע.
 
חלקיקים המקיימים אינטראקציות עם החומר שבמיכל הקסנון הנוזלי מעוררים ומייננים את אטומי הקסנון, וכך גורמים לפליטה מיידית של אור מהבהב בתחום האולטרה-סגול. פליטה נוספת של אור מתרחשת בשלב מאוחר יותר, כתוצאה ממעברם של האלקטרונים המיוננים אשר חוצים את שכבות הנוזל. כאשר מגיעים אלקטרונים אלה לפני השטח, בו יש מעבר ממצב צבירה נוזלי לגזי, הם מואצים לתוך הגז ופולטים קרינה באורך גל זהה - 178 ננו-מטר. שני האותות, המיידי והמושהה, נקלטים על-ידי שתי מערכות גלאים, שאחת מהן ממוקמת בתחתית הנוזל, והשנייה בגז שמעליו. מדידתם של שני האותות בעת ובעונה אחת מאפשרת לפענח את רמת האנרגיה ואת המיקום המרחבי בהם התרחשה ההתנגשות, ולספק מידע על טבעה. היחס בין שני האותות והמיקום המדויק מאפשרים, בדרגת ודאות גבוהה, להבחין בין אותות שמקורם בחלקיקי WIMPs לבין רעשי רקע.
 
תוצאות שהתקבלו מניתוח נתונים שנאספו במשך כ-11 ימים, במהלך תקופת ההרצה של הניסוי באוקטובר ובנובמבר 2009, הובילו לקביעת סף עליון חדש לשיעור האינטראקציות של חלקיקי WIMPs - שיא עולמי מבחינת רמת הדיוק עבור חלקיקי WIMPs שמאסתם אינה עולה על זו של 80 פרוטונים. ממצאים אלה התפרסמו בשנת 2010 בכתב העת Physical Review Letters.
 
מחקר נוסף, שמטרתו למצוא את החומר האפל, התבצע במשך 100 ימים בין ינואר ליוני 2010, כאשר הנתונים נאספו באופן "עיוור", מבלי לכוון את החיפוש לטווח הרצוי. לאחר חשיפת הנתונים הרלבנטיים התגלו שלושה אירועים (התנגשויות) בטווח בו צפויות התנגשויות של חלקיקי WIMPs. התוצאות נמצאות בטווח הטעות הסטטיסטית של שני אירועים צפויים, שמקורם בקרינת רקע רדיואקטיבית. לכן, אין לטעון כי התגלו עדויות להימצאות חומר אפל, אבל לעומת זאת, נקבע סף עליון למידת העוצמה של האינטראקציות בין חלקיקי WIMPs לבין חומר רגיל. תוצאות אלה מספקות את התחום המדויק ביותר הידוע עד כה להימצאותו של החומר האפל, ומצמצמות את הטווח שחזו תיאוריות הסופר-סימטריה של פיסיקה של חלקיקים, המתייחסות לחומר האפל.
 
פרופ' גרוס: "בניסוי ה-XENON100 הופחתו רעשי הרקע במידה הגדולה יותר מכל ניסוי אחר ברחבי העולם, שניסהלהתחקות אחר החומר האפל. רעשי הרקע הפנימיים של המערכת, שמקורם בכמויות זעומות של קריפטון רדיואקטיבי המעורבבות באופן טבעי בקסנון, הופחתו בהצלחה חסרת תקדים, וביצועי הגלאי הלכו והשתפרו כתוצאה מניסוי וטעייה במהלך הפעלתו". בעוד הנתונים הולכים ונאספים, מתכוננים המדענים לדור הבא של הניסויים: גלאי ה-XENON1T יכיל 1,000 ק"ג של קסנון נוזלי כמטרה להתנגשויות של חלקיקי WIMPs באופן שיגביר את רגישותו פי 100, תוך צמצום נוסף של רעשי רקע.
 
במחקר הנוכחי השתתפו מדענים מ-14 מוסדות מחקר, מארה"ב (אוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, אוניברסיטת רייס ביוסטון); מסין (אוניברסיטת ג'ייאו טונג בשנחאי); מצרפת (סובטק נאנט); מגרמניה (מכון מקס-פלנק בהיידלברג, אוניברסיטת מיינץ, וילהלמס יוניברסיטאט מונסטר); מישראל (מכון ויצמן למדע); מאיטליה (המעבדה הלאומית של גראן סאסו, INFN, אוניברסיטת בולוניה); מהולנד (ניחף אמסטרדם); מפורטוגל( אוניברסיטת קואימברה), ומשווייץ (אוניברסיטת ציריך).
 

חלקיקים של אהבה

פרופ' עילם גרוס כותב, מלחין ומבצע שירי רוק שמשלבים תובנות פיסיקליות עם שאלות מתחומי הרגש והפילוסופיה. בימים אלה הוא עובד על אלבום חדש, ששמו (הזמני) "חלקיקים של אהבה". השמעת הבכורה של חלק משירי אלבום התקיימה במסגרת אירועי "מדע על הבר" (ראו עמוד 4 בגיליון זה).
 
הנה שני בתים מתוך השיר "סימטריה":
 
יופי מבין בקוונטים ושדות
אבל מאיפה באות כל המחשבות
מתי כבר נחקור מה זאת תודעה
מתי כבר נבין מה זאת אהבה

העולם נברא בממדים עשרה
ששה התכווצו - נותרו רק ארבעה
ככה מוכיחים שחלקיקים הם חוטים -
שלי בשלך מתלפפים ולא מרפים
 
חלל ופיסיקה
עברית

סודות מהליבה

עברית
 

מימין (עומדים) ד"ר יבגני סטמבולצ'יק, פרופ' יצחק מרון, קריסטינה סטולברג, גיא רוזנצוויג, פסי מאירי. (יושבים): ד"ר אייל קרופ, דימיטרי מיקיטצ'וק ודרור אלומות. אלקטרונים קופצים

מה יקרה אם נמקד על מילימטר מרובע אחד של חומר את כל אור השמש שמגיע לכדור הארץ? נקבל חומר בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, המצוי במצב צבירה רביעי וקרוי פלסמה - ענן של חלקיקים נושאי מטען חשמלי. סוגים שונים של פלסמה - הנבדלים זה מזה בהרכבם, בצפיפותם ובטמפרטורה שלהם - מרכיבים יותר מ-99% מהחומר הנראה ביקום. כך, לדוגמה, ליבת השמש עשויה מפלסמה דחוסה מאוד, שהטמפרטורה שלה מגיעה לעשרה מיליון מעלות ויותר. בתנאים אלה מתרחש תהליך של מיזוג גרעיני, שהוא מקור האנרגיה של השמש - ארבעה גרעיני מימן מתמזגים בתהליך מורכב לגרעין הליום אחד, תוך שהם פולטים כמות עצומה של אנרגיה: חישובים מראים, כי מיזוג גרם אחד של מימן מספק כמות האנרגיה המופקת משריפה של כעשר טונות נפט. מדענים רבים במקומות שונים בעולם מנסים להבין לעומק את התכונות של הפלסמה, מתוך תקווה שידע כזה יסייע בעתיד, בין היתר, לפתח כורי מיזוג גרעיניים.
כיצד מייצרים פלסמה "מאולפת" במעבדה? אפשרות אחת היא באמצעות העברת זרם חשמלי חזק (מעל מיליון אמפר) בזמן קצר מאוד - פחות ממיליונית השנייה. השדה המגנטי של הזרם דוחס את החומר הטעון, ובסופו של התהליך מתקבלת פלסמה צפופה וחמה. מערכת כזו נקראת Z-pinch. אפשרות אחרת היא להשתמש במכשירי לייזר המייצרים אור חזק בפרק זמן קצר ועל פני שטח קטן של מיקרונים בודדים. החומר שמתקבל במערכת כזו הוא בעל תכונות שבין חומר מוצק חם לאלה של פלסמה חמה, ודומה בתכונותיו לזה שנמצא בליבות של כוכבי לכת ענקיים כמו צדק ושבתאי. בשתי הדרכים מתקבלים ענני פלסמה צפופים ועתירי אנרגיה, הפולטים כמות רבה של אור. פליטת האור הזו פותחת פתח חשוב - ולמעשה יחיד - לחקור את תכונות הפלסמה בלי להשפיע ולהתערב בנעשה בתוכה, באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות.
 
"הספקטרום הנפלט מהפלסמה מאפשר לקבל המון מידע: טמפרטורה, צפיפות, שדות חשמליים ומגנטיים, מהירות החלקיקים ועוד", מסביר העמית ד"ר יבגני סטמבולצ'יק, ממעבדת הפלסמה במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. המעבדה, בראשותו של פרופ' יצחק מרון, מתמקדת בספקטרוסקופיה של פלסמה בצפיפות ובאנרגיה גבוהות, ובפיתוח שיטות מידול לעיבוד הנתונים. לשם מחקרים אלה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות ייחודיות לאבחנת פרטים עדינים בספקטרום, כולל שינויים המתחוללים בפרקי זמן קצרים מאלפית-מיליונית השנייה.
 
בניגוד לפלסמות האסטרופיסיות, אשר קיימות זמן ארוך מאוד ולכן מגיעות בדרך כלל לשיווי משקל, לפלסמות הנוצרות במעבדה משך חיים קצר ביותר - אלפית מיליונית השנייה, במקרה הטוב, ועוד פחות מכך בפלסמות הנוצרות באמצעות לייזר. תכונותיהן של פלסמות אלה אינן אחידות - דבר שמקשה על המדידות ועל ניתוח הנתונים. כך לדוגמה, טמפרטורת הפלסמה - שהיא אחד המדדים החשובים להבנתה - מורכבת למעשה מאוסף נתונים: מפרטורת היונים שונה מטמפרטורת האלקטרונים, ושתיהן שונות מטמפרטורת הקרינה, ומשתנות גם על פי מיקום החלקיקים ותנועתם. במעבדת הפלסמה מפתחים שיטות המאפשרות להבחין בין תופעות כאלה, המבוססות על ספקטרום האור הנפלט מהפלסמה. שיטות אלה משמשות גם למדידה של תנאים קיצוניים בפלסמות, כמו, לדוגמה, שדות חשמליים של מיליארד וולט למטר, ושדות מגנטיים של מיליון גאוס.

אחד הקשיים הגדולים במחקר של פלסמות בצפיפות ובאנרגיה גבוהות הוא, שמרבית הקרינה שנפלטת מליבת הפלסמה נבלעת בתוכה - דבר שמונע את האפשרות ללמוד את התנאים השוררים בליבה. באחרונה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות לקביעת הטמפרטורה במיקומים שונים בתוך הליבה ברמת רגישות שלא הושגה עד כה. השיטות מבוססות על כך שבפלסמות המיוצרות באמצעות לייזר מתרחש יינון מסוג מיוחד, שבו האלקטרונים נקרעים מהשכבות הפנימיות של האטומים, ולא מהשכבות החיצוניות. בעקבות זאת, אלקטרונים מהשכבות החיצוניות "קופצים" פנימה כדי למלא את ה"חור", תוך שהם משחררים ספקטרום אופייני של אור, שהוא רגיש מאוד לטמפרטורה ואינו נבלע בפלסמה. בעזרתו אפשר לקבוע - ברמת רזולוציה של עשרה מיקרונים - את הטמפרטורה של האלקטרונים ה"מרחפים" בפלסמה. הניסויים האלה נערכו בעזרת פולסים של לייזרים קצרים ביותר ורבי עוצמה, במעבדות מחקר בגרמניה ובצרפת, בהשתתפות העמית ד"ר אייל קרופ, אליו התלווה הטכנאי הראשי של הקבוצה, פסח מאירי. ניתוח הקווים הספקטראליים נעשה על-ידי ד"ר סטמבולצ'יק וד"ר ולדימיר ברנשטם במעבדת הפלסמה.
 
במחקר אחר, שנעשה בפלסמות המיוצרות במעבדת הפלסמה באמצעות זרם חשמלי (Z-Pinch), הצליחו המדענים "להוציא" קרינה מליבת הפלסמה, תוך שימוש בקפיצה בו-זמנית של שני אלקטרונים ביוני הפלסמה. בדרך זו הצליחו להבחין בין טמפרטורת היונים לזו של האלקטרונים, ובין התנועה האקראית של החלקיקים (תנועה תרמית), לתנועה שאינה תרמית (מקרוסקופית), באמצעות שימוש בשתי שיטות: האחת מבוססת על תופעת דופלר, והשנייה על מודל המתאר שינויים בשדה החשמלי. התנועה התרמית, בניגוד לתנועה המאקרוסקופית, מייצרת שינויים בשדה החשמלי, משום שהחלקיקים נעים זה ביחס לזה. לכן, הפחתת הנתונים אלה מאלה מאפשרת לבודד את התנועה המאקרוסקופית. ניסוי זה, בו משתתפים ד"ר אייל קרופ, ותלמידי המחקר דרור אלומות וגיא רוזנצוויג, מתבצע במסגרת מרכז מצוינות אוניברסיטאי של משרד האנרגיה של ארה"ב, אשר כולל את אוניברסיטת קורנל, מכון ויצמן למדע וה-Imperial College בלונדון.

בימים אלה מנסים מדעני מעבדת הפלסמה לרתום שיטה המשמשת ליצירת פלסמה למטרה מפתיעה - מאיץ חלקיקים קומפקטי. הרעיון מבוסס על כך שכאשר ממקדים קרן לייזר על פלסמה בעלת תכונות מסוימות, נוצר שדה חשמלי חזק אשר נע כמעט במהירות האור, ו"סוחב" אתו את האלקטרונים. למעשה, זהו מאיץ חלקיקים. אולם בעוד המאיצים הקיימים כיום משתרעים על שטח של עשרות קילומטרים, גודלו של מכשיר כזה לא יעלה על עשרות מטרים. מספר קבוצות מחקר בעולם מנסות לבצע זאת באמצעות פלסמה המיוצרת בתוך מערכת של צינוריות עדינות, אולם זו אינה ניתנת לשימוש חוזר ממושך. מעבדת הפלסמה במכון משתפת פעולה עם קבוצות מגרמניה במטרה לנסות ליישם שיטה שונה, באמצעות מערכת ה-Z-pinch, בה אין הגבלה על מספר הניסויים החוזרים שאפשר לבצע. בימים אלה, לאחר עבודה משותפת של תלמידי המחקר דימיטרי מיקיטצ'וק וכריסטין שטולברג, התקבלו הישגים ראשוניים בהכנת פלסמה אחידה באורכה ובעלת פרופיל צפיפות מיוחד. בהמשך, בשיתוף קבוצות בגרמניה ובצרפת, ינסו לייצר מאיץ חלקיקים ראשון מסוגו. 

 

אישי

ד"ר יבגני סטמבולצ'יק זכה באחרונה בפרס על הישגים מדעיים מטעם הוועדה לחקר הפלסמה באגודה האמריקאית להנדסת חשמל ואלקטרוניקה (IEEE), המוענק לחוקרים צעירים על הישגים בתחילת דרכם המדעית. הפרס ניתן לו "על תרומתו יוצאת הדופן לתיאוריה ולמידול בתחום הרחבת קווי ספקטרום, אשר כוללת פיתוח שיטות כמותיות ויישומן לגישות ייחודיות בחקר הפלסמה".

יבגני סטומבולצ'יק השלים לימודי תואר ראשון בפיסיקה באוניברסיטת נובוסיבירסק שברוסיה. בשנת 1991 עלה לארץ, הגיע לרחובות, והצטרף לקבוצתו של פרופ' יצחק מרון, שם סיים תואר שני ושלישי.
חלל ופיסיקה
עברית

שביל קליפות הגרעינים

עברית
 

מימין: יואל רקח, גדעון יקותיאלי, יגאל תלמי ועמוס דה-שליט, לאחר כנס מדעי בבזל, ספטמבר 1949.

הייתי יכול להיות דוקטור לפיסיקה גרעינית
הייתי יכול ללמוד פילוסופיה שנה חמישית
הציעו לי לפתוח מסעדה גדולה עם שיש
הציעו לי לנהל סניף של בנק מקומי
מיליון דולר
 
"מיליון דולר"
מילים, לחן וביצוע: רפי פרסקי
 
לפני 101 שנים הפגיז ארנסט רתרפורד יריעות זהב בקרינת אלפא שמקורה בראדיום. בניסוי התגלה, שהמטען החשמלי באטום ורוב המסה שלו נמצאים בתחום קטן מאוד, פי עשרות אלפים מממדי האטום. כך התגלה גרעין האטום. תוצאות הניסוי הובילו אותו להצעת "המודל הפלנטרי" של מבנה האטום, כגרעין שסביבו נעים אלקטרונים במסילותיהם, בדומה למבנה מערכת השמש, שבה כוכבי-לכת נעים במסילותיהם סביב השמש.
 
מודל, בהקשר זה, הוא תיאוריה באשר למערכת מסוימת בטבע. המודל מתואר ומנוסח באמצעות מערכת משוואות אשר מהווה פישוט מסוים, שכן אין אפשרות לתאר במדויק את מלוא מורכבותה של המערכת. המשוואות צריכות להיות פתירות, והפתרונות חייבים להתאים (בקירוב) לתוצאות של ניסויים או תצפיות. נילס בוהר הבין את הקשיים לקיום ה"המודל הפלנטרי", והצליח להתגבר עליהם באמצעות יישום והרחבה של תורת הקוונטים של מקס פלנק, לתנועת האלקטרונים באטומים. התיאוריה של בוהר איפשרה לחשב ולחזות נכונה את שיעורי האנרגיה ותכונות נוספות של אטומים. עקרון האיסור של וולפגנג פאולי סיפק הסבר לעובדה, שבכל "קליפה" שבה נעים האלקטרונים יכולים להימצא רק מספר מסוים של אלקטרונים. לכן האלקטרונים נעים במערכת של "קליפות" מסביב לגרעין בדומה לקליפות הבצל. עובדה זו היא הבסיס למערכת המחזורית של היסודות.
 
עוד שמונה שנים חלפו, ורתרפורד הציע "ניחוש": בגרעין האטום מצויים, בנוסף לפרוטונים, גם חלקיקים מאסיביים חסרי מטען חשמלי. הוא הציע לכנותם "ניטרונים". כעבור 12 שנים, בשנת 1932, גילו בתם של פייר ומארי קירי, אירן קירי, ובעלה, פרדריק ז'וליו, שאלומה של חלקיקים לא ידועים, הפוגעת בגרעינים של אטומים שונים עשויה לחלץ מהם פרוטונים. הם סברו שהאלומה שהשתמשו בה היא אלומה של קרינת גאמא, אבל ג'יימס צ'דוויק הראה ש"ככל הנראה, מדובר באלומה של ניטרונים, שעליהם דיבר רתרפורד". באותה שנה תאר ורנר הייזנברג את גרעיני האטומים כמורכבים מפרוטונים וניטרונים. כך נולדה הפיסיקה הגרעינית.
 

אנרגיית הקשר

כבר אז היו מכשירים למדידת מסות של גרעינים. ממסות אלה ניתן היה לחשב, לפי נוסחת איינשטיין E=Mc2 את האנרגיות הקושרות את הפרוטונים והניטרונים בגרעין. כבר באותה שנה, על בסיס מדידות אלה, הציע ג'והן ברטלט את מודל הקליפות של הפרוטונים והנייטרונים בגרעין, בדומה לקליפות האלקטרונים באטום. לפי מודל זה הם נעים במסילות מסביב למרכז הגרעין. למרות ההבדל הגדול בין הגרעין לאטום, שבו יש מרכז המפעיל כוחות חשמליים על האלקטרונים, הצליח ברטלט להראות התאמה עם העובדות באשר לגרעינים שבהם עד שמונה פרוטונים וניטרונים.
 
בשנות ה-30 גילה ואלטר אלזסר "מספרי קסם": מספרי הפרוטונים או הניטרונים בגרעינים יציבים במיוחד (2, 8, 20, 28, 50, 82 ו-126). הוא ניסה להסביר את תופעת "מספרי הקסם" באמצעות תיאור מבנה של גרעין המורכב מ"קליפות" שמכילות פרוטונים וניטרונים. פיסיקאים רבים, ובהם גם הישראלי יואל רקח (1965-1909) מהאוניברסיטה העברית בירושלים, ניסו לחשב את האנרגיה של ניטרונים ופרוטונים בגרעין, באמצעות מודל הקליפות. החישובים צלחו במידה מסוימת רק באשר לגרעינים בעלי "מספרי הקסם" הקטנים (2, 8, 20).   
 
בשנת 1936 קיבל המודל "מכת מוות" מידיו של נילס בוהר, שהסתמך על תהליכים גרעיניים שבהם חלקיק שפוגע בגרעין נבלע בו - ולאחר מכן הגרעין פולט קרינת אלפא או גאמא. תופעות אלה סתרו, לדעת רבים, את אפשרות קיומן של "קליפות" בגרעין. במקום זאת, החלו לעלות תיאוריות סטטיסטיות שונות. יואל רקח (שבאחרונה מלאו 100 שנה להולדתו), לא נטש את שיטות החישוב שפיתח לשימוש במודל הקליפות. הוא סבר, שאם השיטות האלה אינן מתאימות לגרעין, אפשר יהיה להשתמש בהן לחישובי אנרגיות של אטומים, ועשה זאת בהצלחה רבה. לימים התברר ששיטות אלה אכן התאימו גם לתיאור תופעות בגרעינים.
 
בשנת 1948 נכנסה לתמונה המורכבת הזאת הפיסיקאית מריה מאייר. היא פירסמה מאמר שבו הראתה, על בסיס של ממצאים מניסויים רבים שבוצעו במקומות שונים בעולם, את הממשות של "מספרי הקסם". כעבור שנה, בעקבות שאלה של אנריקו פרמי, הציעה מריה מאייר את "המודל הקואזי-אטומי", שהוא, למעשה מודל הקליפות. היא טענה, שבין הספין של הפרוטונים והניטרונים (תנע זוויתי פנימי) לבין המסילות שלהם פועלים כוחות חזקים, שאינם פועלים באטומים שלמים. לפיכך, סדר הקליפות בגרעינים שונה מהסדר באטומים, ו"מספרי הקסם" מופיעים  באופן טבעי. במילים אחרות, המודל מתאים למציאות. כך חזר "מודל הקליפות" למרכז הזירה המדעית. אותו הסבר לסדר הקליפות בגרעין הוצע באותו הזמן באופן בלתי-תלוי גם על-ידי הנס ינסן. מאייר וינסן קיבלו על הישגיהם אלה את פרס נובל בפיסיקה.
 
בשנת 1949 נשלחו כמה תלמידי מחקר ישראליים ללימודי דוקטורט בחו"ל. עמם נמנו גם עמוס דה-שליט ויגאל תלמי, שהשלימו את לימודיהם לתואר שני בהנחייתו של יואל רקח. לאחר שהשלימו לימודי דוקטורט בציריך, בהנחיית פאול שרר וולפגנג פאולי, המשיך עמוס דה-שליט למחקר בתר-דוקטוריאלי במכון לטכנולוגיה של מסצ'וסטס MIT, ואילו יגאל תלמי בחר באוניברסיטת פרינסטון.
 
בשנת 1954 חזרו השניים, עם מספר פיסיקאים צעירים נוספים, לארץ, וגילו שממשלת ישראל, שתיכננה להקים מכון למחקר בפיסיקה, נסוגה מהתוכנית. כאן נכנס לתמונה מכון ויצמן למדע, שהזמין את עמוס דה-שליט להקים במסגרתו מחלקה לפיסיקה, ואת שאר החברים להצטרף אליה. "מודל הקליפות" היה אז בגדר חדשות חמות. באמצעותו אפשר היה לקבוע באילו מסלולים יכולים (אם כי לא חייבים) פרוטונים וניטרונים לנוע. כאשר היה מדובר בגרעין שקליפותיו סגורות (מאוכלסות במלואן), אפשר היה, בעזרת המודל, לדעת את מצבו הקוונטי, אבל אי-אפשר היה לחשב את האנרגיה שלו (לשם כך היה צורך לדעת את עוצמת הכוח השיורי של הכוח החזק, שמצמיד את חלקיקי הגרעין אלה לאלה, ומונע את התפזרותם לכל עבר).
 

מצבים קוונטיים

פרופ' יגאל תלמי. מסתכלים בקליפה

כשמדובר בגרעין שבו יש חלקיק אחד (ניטרון או פרוטון) מחוץ לקליפות סגורות (כלומר, במעין התחלה של קליפה חדשה), קשה היה לחשב את אנרגיית היוניזציה, כלומר כמה אנרגיה יש להשקיע, כדי "לתלוש" את החלקיק הזה מהגרעין. אם יש מספר פרוטונים וניטרונים מחוץ לקליפות סגורות, המצב מסובך יותר:  גרעין כזה עשוי להימצא בכמה מצבים קוונטיים, ואי-אפשר לדעת מה מצב היסוד (המצב ה"טבעי") שלו. לשם כך היה צורך לדעת את הכוחות השיוריים הפועלים בין הפרוטונים והניטרונים שנמצאים מחוץ לקליפות הסגורות. אם לא די בזה, המצב הסתבך אפילו עוד יותר: בניסויי פיזור של חלקיקים בודדים התברר, שבטווחים קצרים, הכוחות הפועלים בין החלקיקים חזקים מאוד, ולעיתים אלה כוחות דחייה. תופעה זו לא התאימה לתנועה הבלתי-תלויה של הפרוטונים והניטרונים במסילותיהם. עובדה זו סיבכה עוד יותר את השאלה, מדוע  מודל הקליפות זוכה להצלחה כה רבה. לשאלה זו אין עד היום תשובה מניחה את הדעת. עם זאת, התעוררה בעיה מעשית מאוד: הוברר סופית שאי-אפשר להשתמש במודל הקליפות בכוחות שנמדדו בין חלקיקים בודדים. הכוחות השיוריים שונים מאוד מכוחות אלה, ולא הייתה דרך מדויקת לקבל אותם בחישובים.
 
לשטח הזה נכנסו עמוס דה-שליט, יגאל תלמי וחבריהם במחלקה הצעירה לפיסיקה של מכון ויצמן למדע, שחקרו את מודל הקליפות, בנוסף למחקרים אחרים בפיסיקה גרעינית ובפיסיקה של חלקיקים שהמקור היחיד ליצירתם היה בקרינה הקוסמית.
 
כדי לחשב את אנרגיית הקשר בין הפרוטונים והניטרונים החיצוניים (שמחוץ לקליפות סגורות), ובהיעדר מידע על הכוחות השיוריים, פותחה במכון דרך לקבוע אותם על-פי אנרגיות של גרעינים שנמדדו בניסויים. התברר, שבהרבה מקרים הספיק המידע שהיה קיים על אנרגיות שנמדדו כדי לקבוע כוחות שמהם אפשר היה לחשב בהצלחה אנרגיות של גרעינים רבים, הן במצבי היסוד שלהם והן במצבים מעוררים (חישוב רמות האנרגיה - הספקטרום של גרעין). שימוש בשיטה זו, שפותחה במכון, הוביל ל"ניבויים" מוצלחים, שכמה מהם היו מפתיעים. מכמה מקרים אופייניים אפשר היה להסיק תכונות כלליות של הכוחות השיוריים.
 

עשרה מיליון מצבים

התיאור של השיטה, יחד עם התיאוריה של מודל הקליפות, בהמשך לעבודותיו של יואל רקח, פורסם בספרם של עמוס דה-שליט ויגאל תלמי, Nuclear Shell Theory, בשנת 1963. ספר זה זכה לתפוצה רבה, ונחשב לספר יסוד בין פיסיקאי הגרעין בעולם. שיטת חישוב האנרגיות התקבלה על-ידי הקהילה המדעית העולמית, והיא משמשת כיום לחישובים מסובכים שבהם יש להתחשב במספר מסילות, עד שמספר המצבים האפשריים מגיע לעשרה מיליון ויותר.
"במצבים מורכבים כאלה", אומר פרופ' תלמי, "המודל מספק תוצאות סבירות, וחוזה בקירוב טוב את התוצאות המתקבלות בניסויים. גם בחישובים אלה מתחשבים רק בכוחות השיוריים הפועלים בין שני חלקיקים. אבל עם כל ההצלחה של מודל הקליפות הפשוט, הייתי רוצה להבין מדוע הוא כל כך מוצלח. זו שאלה פתוחה שמחזיקה מעמד עשרות שנים". 
  
 
מימין: יואל רקח, גדעון יקותיאלי, יגאל תלמי ועמוס דה-שליט, לאחר כנס מדעי בבזל, ספטמבר 1949.
חלל ופיסיקה
עברית

עמודים