האם איינשטיין באמת טעה?

בליל יום ששי האחרון ביליתי באופרה. לא בדיוק מה שעולה בדעתכם... מדובר בסמינר שניתן בסרן (CERN), המעוז של ציידי החלקיקים בז'נבה, ובו בישרו המדענים של גלאי החלקיקים "OPERA" לעולם על ניתוח תוצאות הנסוי של שלוש השנים האחרונות וממנו עולה שקיימים חלקיקים שנעים יותר מהר מן האור.

באולם ישבו הפיזיקאים הכי גדולים בתחום. אין ספק שכולם הבינו שהוטלה פצצה שמאיימת על אושיות הפיסיקה המודרנית, שהחלה עם תורת היחסות של איינשטיין בשנת 1905.

איינשטיין פיתח את תורתו על בסיס הרעיון שאינפורמציה לא יכולה לעבור יותר מהר מן האור, שאלמלא כן, כל העיקרון של סיבתיות לפיו עבר תמיד קודם לעתיד בכל מערכת ייחוס, היה נשבר.

חלקיקים שנעים יותר מהר מן האור? כולם חיפשו את הטעות. והיה מה לחפש, כי מסתבר שלא כל כך פשוט לבצע את המדידה המדוברת. בינסוי המדובר יורים חלקיקים שנקראים נייטרינים ממעבדת המחקר, סרן שבז'נבה, אל גלאי החלקיקים "אופרה" שממוקם כ-730 ק"מ הרחק משם, במעבדת גראן-סאסו (Gran Sasso) שמתחת לכ-1,400 מטרים של סלע, ליד העיר ל'אקווילה (L'Aquilla) שבאיטליה (אותה עיר שעברה רעידת אדמה קשה באפריל 2010).

איך עוקבים אחר חלקיק סורר?

הנייטרינים נוצרים באינטראקציות רדיואקטיביות חלשות ומסוגלים בנקל לעבור דרך כל מה שנקרה בדרכם מסרן לגראן-סאסו. כדי למדוד את מהירותם כל מה שצריך לעשות הוא למדוד את המרחק בין המקור שבסרן לגלאי אופרה, ולחלק את המרחק בזמן ה"טיסה". שתי מדידות: מרחק וזמן שמנתן נותנת מהירות. נשמע פשוט... אבל לא כל כך פשוט.

הנייטרינו לא מחכה ליריית הזנקה ממקום ברור או בעת ברורה כך שניתן לעקוב אחר מעופו ולחשב את מהירותו. רכבת של אלפי פרוטונים ויותר מתנגשת במטרה נייחת בסרן. המטרה מפיקה בסופו של דבר נייטרינים רבים. אחד מהם, בלי שנדע מיהו, עושה את דרכו לגראן-סאסו, שם הוא משאיר את עקבותיו בגלאי "אופרה".

גלאי "אופרה"(צילום: OPERA Experiment, cc)

איננו יודעים בדיוק מאיפה הוא יצא ומתי הוא יצא, ובכל זאת איך מחשבים את מהירותו? אז התשובה היא שבעצם לא מחשבים. מסתמכים על העובדה שאם חוזרים על ההתנגשויות האלו שוב ושוב ניתן להעריך את המהירות הממוצעת של כ-16,000 הנייטרינים שאת עקבותיהם אנו רואים ב"אופרה". הדבר נעשה תוך כדי המון הנחות בדרך, אחת מהן (ולאו דווקא הבעייתית ביותר) למשל, היא שלכל הנייטרינים יש את אותה המהירות ולכן בעצם החישוב הסטטיסטי תקף.

המרחק והזמן מחושבים באמצעות מערכות ג'י.פי.אס ושעונים אטומים. משום שאי אפשר לקלוט אות ג'י.פי.אס בתוך מנהרת הגלאי, משתמשים בגיאודטים שמחשבים בדיוק רב את המרחק בין הג'י פי אס לגלאי. בסופו של דבר נמדד מרחק של כ-730 ק"מ בין סרן ל"אופרה" בדיוק של 20 ס"מ. מדידת הזמן בעייתית יותר. זמן ה"זינוק" של נייטרינו בודד ידוע בדיוק של כ-10 מליוניות שניה ופה המספרים מסתבכים כל כך שחיפשתי הסבר חילופי.

אלוף העולם בריצה

לצורך ההסבר החלופי דימיתי את הנייטרינו לרץ מהיר למרחקים ארוכים, כזה שהעולם מייחל לו. מהירותו היא כ-9 מטר לשניה (אלוף העולם לריצה של 10 ק"מ, מהירותו כ-6.3 מטר לשניה). מהירות זו מייצגת את מהירות האור.

כאמור, נקודת הפתיחה היא רכבת של פרוטונים. אז בואו נדמיין שכל הפרוטונים הם קבוצה עצומה של אלפי רצים, שדוהרים לעבר מטרה שאורכה כ-1,000 מטרים. אחד מהם יצליח לצאת מן המטרה ויתחיל את מירוצו לגראן-סאסו.

לילה באופרה: מדענים מכל העולם שומעים על התוצאות המדהימות(צילום: Maximilien Brice; Benoit Jeannet - CERN, cc)

במשך כ-6 דקות פוגע המבול של הפרוטונים במטרה הארוכה. מתישהו בתוך ה-6 דקות הללו, אחד הרצים יחליף את בגדיו ויהפוך לנייטרינו. הוא ייצא מהמטרה ויתמיד בריצה במשך קרוב ליממה -23 שעות (זה הזמן הנדרש לעבור 730 ק"מ במהירות של 9 מטר לשניה), עד שיגיע לגראן-סאסו, מרחק 730 ק"מ. שם הוא יגיע לקו הסיום, כלומר לגלאי ה"אופרה" שימדוד במדויק את זמן הגעתו.

הואיל ולא ידוע בדיוק מועד צאתו, מחכים לרץ הבא ולזה שאחריו... ומתעדים את זמני ההגעה, כך במשך שלוש שנים, עד שמצטברת אינפורמציה של כ-16,000 רצים. ואז פונים לסטטיסטיקאים ומבקשים מהם לנסות ולקבוע את זמן הריצה הממוצע של הנייטירינו מסרן ל"אופרה".

האנליזה הסטטיסטית משתמשת בכל מיני הנחות ומעריכה שגיאות אפשריות ומסיקה שבהנחה שכל הרצים רצו באותה מהירות, מהירותו של כל רץ היתה 23 שעות פחות 2 שניות. כלומר, הם נעו טיפ-טיפה יותר מהר מהמהירות המקסימלית של 9 מטר לשניה. לא הרבה, ממש מעט. קל לטעות ב-2 שניות כשהזמן הכולל 23 שעות. המהירות הנמדדת גדולה בכ-25 מליוניות מהמהירות המקסימלית הצפויה.

בחזרה לניסוי האמיתי

זמן המעוף של הנייטרינים נמדד בכ-60 מליארדיות השניה, קצר יותר מ-2.4 אלפיות השניה הצפויות, לו הנויטרינו היה נע במהירות האור. ומהם שגיאות אפשריות במדידות מסובכות כאלו?

אחת מהן היא רקע. לפעמים הסלעים עצמם פולטים נייטרינים. אחד מהם יכול להירשם על ידי "אופרה" ולרשום זמן קצר יותר. זה משול לכך שלפני שהרץ שלנו מגיע לנקודת הסיום מופיע רץ מתחזה ומטה את תוצאת המדידה. וזו דוגמא אחת מיני רבות.

לא סתם הפיזיקאים מחפשים את כל הטעויות האפשריות. זו דרכו של פיזיקאי נסיונאי. כל שכן כשמדובר בתוצאה כל כך משמעותית. יעבור עוד זמן רב עד שהפיזיקאים ישתכנעו, אם בכלל, באמיתות התוצאות. יש הרבה עדויות סותרות. ב-1987 למשל נצפו נייטרינים בהתפוצצות סופרנובה שמרוחקת מאיתנו 168,000 שנות אור. לו הנייטרינים היו נעים מהר יותר, היינו צופים בהתפוצצות שנים רבות קודם לכן.....

עד שהתוצאות של "אופרה" לא יאושרו על ידי נסיויים אחרים, יש לקחתם בזהירות רבה. אין זה מפחית כהוא זה מגדולת הנסוי המדהים וחשיבות המדידה.

עילם גרוס הוא פרופסור לפיזיקת חלקיקים ממכון ויצמן למדע. מנהל את קבוצת החיפוש אחרי חלקיק ההיגס בקולבורצית אטלס בסרן וגם משתתף בנסוי קסנון בחיפוש אחר חומר אפל בגראן סאסו.