בימים אלו מציינים 70 שנים להקמתו של סרן (CERN), המרכז הגדול בעולם לחקר פיזיקת חלקיקים. לאורך שנות פעילותו, הוביל המחקר בסרן לתגליות יסודיות בפיזיקה, לשלושה פרסי נובל בפיזיקה ולהישגים טכנולוגיים רבים, בהם גם הקמת התשתית למה שאנו מכנים כיום "אינטרנט". כל זאת נעשה בשיתוף פעולה יוצא דופן של 24 מדינות חברות ועוד מדינות בעלות חברות חלקית. במידה רבה, סרן מהווה את חוד החנית של הפיזיקה הבינלאומית מיום הקמתו ועד היום. אז מהם ההישגים הגדולים של CERN, ומה מתוכנן לו בעתיד?
התחלות קטנות
בתום מלחמת העולם השנייה, ב-1945, מדינות אירופה היו במצב קשה לאחר שנים ארוכות של לחימה, וריכזו את מאמציהן בהתאוששות כלכלית ודמוגרפית. מדינות שהיו מעצמות מבוססות לפני המלחמה, בהן צרפת, בריטניה וגרמניה, היו כעת במצב חלש ומבולבל. גם בחזית המדעית מלחמת העולם השניה נתנה את אותותיה: בעוד שבעבר חזית המחקר המדעי הייתה באירופה, במהלך המלחמה נדד מרכז העצבים של המחקר המדעי לארצות הברית: מדענים אירופים רבים היגרו או נמלטו לארצות הברית וחברו למדענים אמריקנים לטובת מחקרים פורצי דרך, בין השאר מחקרים בפיזיקה גרעינית בהובילו לפיתוח פצצת האטום שהביאה לסופה של המלחמה.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
זהירות, הלם אנפילקטי
כשבינה מלאכותית כותבת שירה
משמעות התאים
אותם מדענים אירופים, שכללו שמות בולטים כגון נילס בוהר (Bohr), לואי דה-ברויי (De Broglie) ואיזודור רבי (Rabi), החלו לקדם יוזמה להקמת מכון מחקר אירופי לחקר פיזיקה גרעינית. מכון כזה, הם חשבו, גם ינסה להחזיר את אירופה לקדמת הבמה המדעית, וגם יספק קרקע לשיתוף פעולה בין מדינות אירופה לאחר שנים של מלחמה. דה-ברויי, שהגיש את ההצעה לארגון האו"ם הצעיר, סיפק נימוק נוסף: חזית המחקר הגרעיני דורשת משאבים רבים הנמצאים מעבר להישג ידה של כל מדינה יחידה, אך אפשר להשיגם באמצעות שיתוף פעולה רב-לאומי.
בשנת 1952 חתמו 12 מדינות אירופיות על הסכם להקמת "מועצה אירופית לחקר הגרעין", בצרפתית – "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", מכאן ראשי התיבות CERN. בניית מתקני המחקר החלה ב-1954 בז'נבה שבשוויץ. אבל מה בעצם בונים במתקן מחקר כזה? כבר בשנות החמישים, ולמעשה עד היום, השיטה הטובה ביותר ללמוד את תכונותיהם של גרעין האטום והחלקיקים שמרכיבים אותו, היא באמצעות התנגשויות בין חלקיקים. לצורך כך, בנו פיזיקאים מאיצי חלקיקים – מכונות גדולות שמטרתן להאיץ חלקיקים למהירויות גבוהות מאוד, לגרום להם להתנגש אלה באלה, ולבחון את תוצאות ההתנגשות.
9 צפייה בגלריה
מדע שיתופי לשיקום אחרי המלחמה. המנהל הראשון של CERN, פליקס בלוך (Bloch), מניח את אבן הפינה לבניין מעבדות ב-1955
(צילום: CERN)
יש טכניקות שונות להאצת חלקיקים, אבל באופן כללי אפשר להאיץ חלקיקים בעלי מטען חשמלי, כמו אלקטרונים או פרוטונים, באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים חזקים מאוד. השדות החשמליים מאיצים את החלקיקים, והשדות המגנטיים שומרים עליהם לכודים בתוך המאיץ ומונעים מהם לברוח או להתנגש בקירות עד שיתנגשו זה בזה. השדות האלה מאפשרים לשלוט במאפיינים נוספים של תנועת החלקיקים, למשל למקד את אלות החלקיקים או לפזר אותה, לפי צרכי הניסוי.
באמצעות ניתוח של סוג החלקיקים שנוצרים בהתנגשות, מהירותם וכיוון התנועה שלהם, אפשר ללמוד על התהליכים הפיזיקליים שאותם עברו ולהבין כיצד הם תומכים בתיאוריות פיזיקליות, או סותרים אותן. המספר הכי חשוב כשמנסים להשוות בין מאיצי חלקיקים הוא המהירות הסופית אליה מגיעים החלקיקים. במונחים שנוחים יותר לפיזיקאים, המהירות מתוארת כאנרגיה שיש לחלקיק. ככל שהאנרגיה גבוהה יותר, כך נוצרות בהתנגשויות תופעות נדירות יותר, שקשה ללמוד בתנאים רגילים.
תגליות גדולות
בנייתו של מאיץ החלקיקים הראשון של CERN, הסינכרו-ציקלוטרון, הושלמה ב-1957, והוא היה פעיל במשך כ-30 שנים! החלקיקים במאיץ הגיעו לאנרגיה של כ-600 מגה אלקטרון-וולט, בערך פי ששה מאנרגיית המנוחה של מיואון (Muon), אחיו הכבד של האלקטרון. זה אולי נשמע מעט, אבל האנרגיה הזו הספיקה למספר רב של תהליכים שלא נצפו קודם לכן. למשל תצפית ראשונה בהתפרקות של חלקיק בשם פיון (Pion) לאלקטרון ונייטרינו. תגלית זו איששה תיאוריות קיימות והייתה הראשונה מני רבות שהגיעו ממחקר בסרן. ב-60 השנים שלאחר מכן, נבנו בסרן מאיצי חלקיקים גדולים יותר ואנרגטיים יותר שהובילו לתגליות פורצות דרך בפיזיקה של אנרגיות גבוהות וחלקיקים יסודיים.
9 צפייה בגלריה
אנרגיה שהספיקה לגילויים חדשים רבים. הסיכנרו-ציקלוטרון שהיה המאיץ הראשון ב-CERN, והתחיל לפעול ב-1957
(צילום: CERN)
בשנת 1981 הסתיימה בנייתו של מאיץ חדש בשם סופר סינכרוטרון פרוטון-אנטי פרוטון (Sspp), שהאיץ פרוטונים ואנטי-פרוטונים למהירויות גבוהות ולהתנגשויות באנרגיות של כ-450 ג'יגה אלקטרון וולט – בערך פי אלף מהמאיץ הראשון בסרן. אנרגיות אלו היו נחוצות כדי לצפות בפעם הראשונה בשנת 1983 בחלקיקים הקרויים בוזון W ובוזון Z, האחראים על הכוח הגרעיני החלש במודל הסטנדרטי של החלקיקים. על תגלית זו הוענק לחוקרים קרלו רוביה (Rubbia) וסימון ון דר מיר (van der Meer), שהובילו את פיתוח המאיץ ואת המחקר בסרן פרס נובל בפיזיקה בשנת 1984.
יש עוד דוגמאות רבות לתגליות משמעותיות במאיצי סרן: ב-1999 נצפו שם ראיות ישירות לשבירה של סימטריה בטבע שקרויה סימטריית CP, שעד אז נחקרה רק באופן עקיף. בנוסף, בשנת 2000 הצליחו בסרן ליצור ולחקור לראשונה מצב צבירה הקרוי פלזמת קווארקים-גלואונים – מין מרק חם של חלקיקים תת-אטומיים יסודיים, שככל הנראה היה מצב הצבירה הנפוץ ביקום במיליוניות השנייה הראשונות שלאחר המפץ הגדול.
לאורך השנים המחקר בסרן התמקד בתחומים רבים, ובין היתר גם באפיון של אנטי-חומר, שמורכב מאנטי-חלקיקים, הזהים לחלוטין לחלקיקים הרגילים, לפחות למיטב ידיעתנו, אבל בעלי מטען חשמלי הפוך. כך לכל חלקיק שאנחנו מכירים, כמו הפרוטון והאלקטרון, יש אנטי-חלקיק כמו אנטי-פרוטון ואנטי-אלקטרון, שקרוי גם פוזיטרון. אנטי-חומר אינו נפוץ בחיי היומיום שלנו מכיוון שכאשר הוא פוגש חומר רגיל, הם משמידים זה את זה ומשחררים קרינת גמא, קרינה אלקטרומגנטית מסוכנת. על כן, צריך אמצעים מיוחדים כדי לייצר, לשמור, ולחקור אנטי-חומר. הדרכים לעשות זאת תלויות בסוג החלקיק שחוקרים: חלקיק טעון חשמלית, כמו אנטי-פרוטון או אנטי-אלקטרון ניתן להחזיק במקום כך שלא יגעו בשום משטח שעשוי מחומר.
אם החלקיקים אינם טעונים חשמלית, למשל אנטי-נייטרון, עלינו להשתמש בשיטות אחרות כגון שדות מגנטיים מאוד חזקים, או טכניקות המשלבות בין שדות מגנטיים ללייזרים הדומות לשיטות בהן מחזיקים במקום אטומים רגילים. מחקרים כאלה מתבצעים בסרן מאז שנות ה-90, היות ובעת התנגשות עוצמתית של חלקיקים נפלטת גם כמות גדולה של אנטי חלקיקים. ב-1995 ייצרו שם לראשונה אטום אנטי-מימן, המורכב מאנטי-פרוטון ואנטי-אלקטרון. כלי המחקר של אנטי-חומר בסרן השתכללו, וכיום אפשר לשמור על אטומי אנטי-מימן לזמן רב, כמה עשרות דקות, לייצר אטומי אנטי-חומר מורכבים יותר, ולבדוק אם אכן ההבדל היחיד בין אנטי-חומר לחומר הוא במטען החשמלי: למשל, לאחרונה התבצע בסרן ניסוי שמטרתו לוודא שאטומי אנטי-חומר אכן נופלים למטה.
9 צפייה בגלריה
דרושים אמצעים מיוחדים כדי לחקור אנטי-חומר. אחד המתקנים בסרן ללכידת אנטי חלקיקים באמצעות מגנטים חזקים במיוחד
(צילום: Brice, Maximilien: CERN)
עלו ברשת
חלק גדול מהמחקר ב-CERN עוסק בשיפור טכנולוגי של מאיצים, גלאים ותשתיות, שמאפשרים לבסוף תגליות פורצות דרך. הדוגמה המפורסמת ביותר היא של ה-World Wide Web, תשתית אינטרנטית מבוססת טקסט שמאפשרת למשתמשים לשתף זה עם זה מידע בצורות כמו טקסט, תמונות, סרטונים או קבצים אחרים. את התשתית הזו הקים טים ברנרס-לי (Berners-Lee) בעת שעבד ב-CERN, כדי למצוא דרך יעילה לשיתוף מידע בין חוקרים מרחבי העולם שלוקחים חלק בפרויקטים משותפים גדולים. כעבור כמה שנים ולאחר שדרוג של הפרוטוקול, התשתית הופצה לעולם והיא הבסיס של האינטרנט שבו אנו גולשים היום. דוגמה נוספת היא עבודתו של ז'ורז' צ'ארפאק (Charpak), פיזיקאי צרפתי ממוצא פולני שפיתח גלאי חלקיקים יעילים שבזכותם הוענק לו פרס נובל בפיזיקה ב-1992. הטכנולוגיות שעליהן מבוססים הגלאים מצאו את דרכן לעולם הרפואה כהתקנים שמאפשרים גילוי יעיל יותר של מקורות קרינה, ובכך הקטנת מינון הקרינה שבו משתמשים בטיפולים רפואיים כגון צילומי רנטגן והקרנות.
9 צפייה בגלריה
תשתית שופתחה לשיתוף מידע בין חוקרים הפכה להיות הממשק שהנגיש את האינטרנט לציבור הרחב. טים ברנרס לי בעבודתו ב-CERN
( צילום: CERN )
העידן המודרני
כאמור, במאיצי חלקיקים עושים שימוש בשדות חשמליים ומגנטיים כדי להביא את החלקיקים למהירויות גבוהות וליצור התנגשויות אנרגטיות. הקושי בשיטת פעולה זו הוא שלהאצה משמעותית של החלקיקים דרושים זמן ומרחק. אפשר לדמיין את זה כמו מה שקורה כשאנחנו מפילים כדור מגובה: הוא מאיץ בתאוצה קבועה תחת שדה הכבידה של כדור הארץ, וככל שהוא נופל זמן רב יותר כך מהירותו גדלה (נתעלם מהתנגדות האוויר). אבל בסופו של דבר הוא יפגע בקרקע וייעצר.
אם נרצה שהכדור ינוע במהירות גבוהה יותר נצטרך להפיל אותו מגובה רב יותר ויותר, ולכן נצטרך סולם ארוך יותר ויותר. במאיצי חלקיקים אפשר להגיע לאנרגיות גבוהות יותר באמצעות הפעלה של שדות חזקים יותר, אבל אנחנו מוגבלים מבחינה הנדסית בגודל השדות החשמליים והמגנטיים שאנו מסוגלים לייצר. פתרון אחר הוא האצה למרחק רב יותר, כלומר יותר זמן, ולשם כך עלינו לבנות מאיצים גדולים יותר וארוכים יותר. אחד הפתרונות לבעיה זו, שנהגה כבר לפני כמאה שנה, הוא לבנות מאיץ שהחלקיקים ינועו בו במעגל, ויכולים באופן תיאורטי לנוע עוד ועוד בלי להגיע לשום מקום, וכך לצבור אנרגיה ולהגיע למהירויות גבוהות מאוד.
המסלול המעגלי מאפשר גם ליצור התנגשויות רבות יותר בין חלקיקים, מכיוון שחלקיקים ש"פספסו" זה את זה יכולים להתנגש בסיבוב הבא. למאיצים מעגליים יש גם חסרונות. בין היתר, חלקיקים טעונים חשמלית שנעים בתנועה מעגלית פולטים קרינה ומאבדים אנרגיה. פתרון אפשרי לבעיה זו הוא מאיץ מעגלי בהיקף גדול מספיק, שיפחית את אובדן האנרגיה כתוצאה מהתנועה במעגל.
בתחילת שנות ה-80 החלו בסרן בבנייה של מאיץ מעגלי חדש, הגדול ביותר בעולם, שנקרא מאיץ האלקטרונים-פוזיטרונים הגדול (LEP). לטובת ה-LEP, נחפרה מנהרה בהיקף של 27 ק"מ ובעומק של כ-100 מטר מתחת לקרקע בגבול בין שוויץ לצרפת. ב-LEP האיצו אלקטרונים ופוזיטרונים (אנטי-אלקטרונים) למהירויות גבוהות מאוד והתנגשויות של כ-200 ג'יגה אלקטרון וולט, ובמהירות הגבוהה ביותר שנצפתה במאיץ חלקיקים בהיסטוריה: מעל 99 אחוז ממהירות האור. ב-LEP נחקרו תופעות רבות שקשורות לכוח הגרעיני החלש באנרגיות גבוהות מאוד, ומדדו בו במדויק את המסות של בוזוני Z ו-W שהזכרנו קודם. אף שפעילותו הייתה פורה ומוצלחת, היא הופסקה בשנת 2000 לטובת הקמת מאיץ חדש ואנרגטי עוד יותר.
העידן המודרני של המחקר בסרן החל עם הקמת פרויקט מאיץ ההדרונים הגדול (Large Hadron Collider או בקיצור LHC). הדרונים הם חלקיקים תת-אטומיים המורכבים מקווארקים, כמו נייטרונים ופרוטונים, והם כבדים הרבה יותר מאלקטרונים ופוזיטרונים שהואצו ב-LEP. המאיץ החדש נבנה במנהרה של LEP, אך גם ללא הצורך בחפירת מנהרה חדשה תכנון ובניית המאיץ נמשכו עשור ובעלות של כשמונה מיליארד אירו.
מדוע נדרשת השקעה רבה כל כך? כאמור, ככל שאנחנו רוצים לחקור תופעות מורכבות יותר בעולם החלקיקים, עלינו להגיע לאנרגיות גבוהות יותר. בסוף שנות ה-90, הפערים המרכזיים שנותרו בפאזל הקרוי "המודל הסטנדרטי של החלקיקים" דרשו אנרגיות גבוהות יותר מאשר אלה שהיה אפשר להגיע אליהן באמצעים הקיימים. לצורך כך, מאיץ החלקיקים הגדול תוכנן להגיע לאנרגיה של כ-10 טרה אלקטרון וולט - בערך פי מאה מהמאיץ שקדם לו, ובדיוק מספיק – לפי התיאוריה – לגילוי הפיסה החסרה במודל הסטנדרטי: בוזון היגס. לשם השוואה, המאיץ השני בעוצמתו בעולם, אחרי LHC, הוא ה-Tevatron שנמצא ב-Fermilab בארצות הברית, והאנרגיה שלו היא פחות מעשירית האנרגיה של LHC.
9 צפייה בגלריה
אנרגיה גבוהה פי 100 מהמאיץ שקדם לו. קטע מהצינור שבו נעות אלומות החלקיקים במהירות עצומה במאיץ LHC
(צילום: CERN)
בוזון היגס הוא חלקיק יסודי במודל הסטנדרטי של החלקיקים, שממלא תפקיד מפתח בתהליך שבזכותו לרוב החלקיקים יש מסה. על אף שקיומו נחזה במחקרים תיאורטיים כבר ב-1964 בעבודות נפרדות של פיטר היגס (Higgs), פרנסואה אנגלר (Englert) ורוברט בראוט (Brout), ניסיונות רבים לאורך השנים למצוא ראיות לקיומו – נכשלו. המחקרים חזו את המסה שאמורה להיות לבוזון היגס, לכן המטרה העיקרית של מאיץ החלקיקים הגדול הייתה לזהות את קיומו של בוזון בעל מסה כזו בהתנגשויות אנרגטיות של חלקיקים.
בשנים הראשונות לפעילותו של המאיץ התבצעו מאות ניסויים של התנגשויות חלקיקים, שבמסגרתן נאספו כמויות עצומות של מידע – כ-200 פטה-בייט בשנה (כ-200 מיליון ג'יגה-בייט). בשנת 2012, לאחר ארבע שנות ניסויים וניתוח של תוצאותיהם, הכריזו החוקרים ב-CERN, בהם פרופ' עילם גרוס ממכון ויצמן למדע, כי זיהו חלקיק שמתאים בתכונותיו להיגס. ב-2013 הוענק פרס נובל בפיזיקה להיגס ואנגלר על התחזית התיאורטית לקיומו שכעת היו לה ראיות שהושגו בניסוי.
9 צפייה בגלריה
תחזית שהתאמתה אחרי כמעט חצי מאה. פיטר היגס (מימין) ופרנסואה אנגלר באירוע ב-CERN לרגל ההכרזה על גילוי בוזון היגס
(צילום: CERN)
להסביר את הסטיות
לאחר כמה שנים של עבודות לשדרוג נוסף, עבר מאיץ החלקיקים הגדול של סרן לנסות ולגלות תופעות חדשות בפיזיקה, בדגש על סטיות מהמודל הסטנדרטי: המודל הסטנדרטי של החלקיקים כולל מיפוי של כל החלקיקים היסודיים והתכונות שלהם, ואלו נמדדו לאורך השנים בדיוק גבוה מאוד ובהתאמה מצוינת לתחזיות. עם זאת, במשך הזמן הצטברו תצפיות שאינן מתיישבות בקנה אחד עם המודל הסטנדרטי: למשל, בסוף שנות ה-90 התגלה כי לחלקיק הנייטרינו ישנה מסה אף שלפי המודל הסטנדרטי הוא חסר מסה.
בנוסף, המודל הסטנדרטי לא כולל בתוכו את החומר אפל ואת האנרגיה האפלה, שלפי הבנתנו כעת מהווים יותר מ-90 אחוזים מהחומר והאנרגיה ביקום, ואיננו יודעים אם הם עשויים מחלקיקים ומה טיבם. פער נוסף ומשמעותי של המודל הסטנדרטי הוא שאינו מצליח לספק הסבר קוונטי לכוח הכבידה. פיזיקאים ניסחו תיאוריות רבות שאמורות להשלים את החסר, בהן תיאוריות מפורסמות כמו תורת המיתרים, אך אי אפשר לקבוע מי מהן נכונה – אם בכלל - בלי תצפיות מתאימות בניסוי. הניסויים ב-LHC נועדו לנסות ולמצוא סטיות מסוימות שיכולות לשלול מודלים מסוימים ולחזק אחרים. לרוע המזל, כל הסטיות מהמודל הסטנדרטי, כולל אלו שהוזכרו קודם, נצפו עד כה רק בניסויים אחרים ולא במאיצי חלקיקים בכלל או ב-LHC בפרט.
מבט לעתיד
בימים אלו מאיץ LHC נמצא בתחילת תקופת הפעילות השלישית שלו, אך כבר כיום ב-CERN נערכים לשלב הבא, שאותו הם אמורים להציג ב-2026, כאשר בנייתו צפויה להימשך כ-20 שנים לפחות. השאלה המרכזית שעומדת על הפרק היא כיצד נכון להמשיך את הפעילות? בפרט, האם השלב הבא, כפי שהיה בשדרוגים קודמים, יהיה פשוט בניה של מאיץ גדול יותר ואנרגטי יותר או שעלינו לחפש אסטרטגיה חלופית למחקר של פיזיקה יסודית, מכיוון שנראה שמאיצי החלקיקים האנרגטיים לא מצליחים לספק לנו תשובות חדשות.
מצד אחד, אם אכן קיימות תופעות חריגות בפיזיקה של אנרגיות גבוהות כמו סטיות מהמודל הסטנדרטי או ראיות לנכונותה של תורת המיתרים, אז נראה כי צריך מאיצים באנרגיות גבוהות הרבה יותר כדי לזהות אותן. באנרגיות של המאיץ המתוכנן, שצפויות להיות בערך פי 30 מהמאיץ הגדול הקיים, לא אמורים להתגלות חלקיקים חדשים. מצד שני, הקמתו של מאיץ גדול מספיק צפויה להיות יקרה ומורכבת מאוד: מאיץ כזה צריך להיות בהיקף של כ-100 ק"מ כדי להגיע לאנרגיות גבוהות שכאלו, ובעלות ראשונית משוערת של כ-20 מיליארד דולר. מלבד העלות הכספית הגבוהה, למאיצי חלקיקים יש מחיר אנרגטי וסביבתי גבוה מאוד.
המאיץ הגדול של סרן והתשתיות התומכות בו צורכים כ-1.3 טרה-וואט-שעה בשנה, בערך פי 100,000 מצריכת החשמל השנתית הממוצעת למשק בית בישראל. התומכים בהקמת מאיץ חדש טוענים כי על אף העלויות הגבוהות, הקמה של מאיצים באנרגיות גדולות יותר היא הדרך שבה אנחנו יכולים לבחון את חוקי הפיזיקה היסודיים. כל עוד אין לנו דרך חלופית לעשות זאת, ואם אנו רוצים להבין את הפיזיקה ברמה היסודית ביותר, אז עלינו להשקיע במחקר הזה זמן, מאמץ והרבה מאוד כסף.
בינתיים המאיץ ממשיך את פעילותו בתחומים רבים שאינם כוללים גילוי של חלקיקים חדשים: שיפור של הכלים למחקר של אנטי-חומר, זיהוי של תופעות קוונטיות בהתנגשויות אנרגטיות של חלקיקים יסודיים, בחינה של חריגות מהמודל הסטנדרטי, וכן הלאה. גם כיום, כפי שהיה במשך 70 שנה, המחקר ב-CERN נמצא בחוד החנית הטכנולוגית, והמרכז כולל כיום 24 מדינות חברות, בהן ישראל שהיא המדינה החברה המלאה היחידה שאינה אירופית, ועוד מדינות שותפות. אין ספק כי גם בשנים הבאות המרכז ימשיך להיות דוגמה למחקר פורץ דרך ופורץ גבולות, שמדגים כיצד שיתוף פעולה בינלאומי יכול להביא לתוצאות שלא היה אפשר להגיע אליהן בדרך אחרת.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
