עוד ב -2008 קרן פרוטונים רוכסה לראשונה סביב Hadron Collider (LHC) הגדול, מאיץ החלקיקים החזק ביותר בעולם. כעת, עשור לאחר מכן, הגיע הזמן לוודא מה שלמדנו בזכות מתקן זה ומה שעומד לפנינו.
הנהלת חשבונות זו כוללת הן מחקרים עתידיים שה- LHC יכול לבצע והן מתקנים חדשים האפשריים להתנגש חלקיקים באנרגיות הרבה מעבר למה שה- LHC יכול להשיג. הוצעו שני, או אולי שלושה, תחליפים אפשריים עבור ה- LHC. אז בואו נסקור איפה אנחנו ואיפה הגענו בעשור האחרון.
סיפור ה- LHC הוא מרגש וסוער כאחד, עם אירועים שנעים בין נזק הרה אסון למגנטים הענקיים של הכלי בימים הראשונים של המבצעים, לעלייה דמוית פניקס מאותה טרגדיה, ואחריה תגליות מוצקות ומרגשות, כולל גילוי של בוסון היגס. ממצא זה זיכה את פיטר היגס ופרנסואה אנגלרט בפרס נובל, כפי שניבאו את החלקיק לפני למעלה מחצי מאה. זה לא רגיל שהעולם עוקב באדיקות אחר חדשות פיסיקת החלקיקים, אך ההודעה על התגלית של ההיגס הובילה את מהדורות החדשות ברחבי העולם.
מציאת פיסיקה חדשה
פיזיקאים היו גם הם בקצה מושביהם, ממתינים למה שהם קיוו שיהיו תגליות בלתי צפויות. במשך כמעט מחצית המאה, מדענים הבינו את ההבנה התיאורטית הנוכחית של התנהגות החומר התת-אטומי. הבנה זו נקראת המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
המודל מסביר את התנהגותם הנצפית של המולקולות והאטומים של חומר רגיל ואף של אבני הבניין הקטנות ביותר הידועות שנצפו אי פעם. חלקיקים אלה נקראים קווארקים ולפטונים, כאשר הקווארקים נמצאים בתוך הפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את גרעין האטום ועם האלקטרונים הם הלפטון המוכר ביותר. המודל הסטנדרטי מסביר גם את התנהגותם של כל הכוחות הידועים, למעט כוח הכבידה. זה באמת הישג מדעי יוצא דופן.
עם זאת, המודל הסטנדרטי אינו מסביר את כל הדברים בפיזיקה התיאורטית. זה לא מסביר מדוע נראה שהקווארקים והלפטונים קיימים בשלוש תצורות שונות, אך כמעט זהות, המכונות דורות. (מדוע שלוש? מדוע לא שתיים? או ארבע? או אחת? או 20?) מודל זה אינו מסביר מדוע היקום שלנו עשוי כולו מחומר, כאשר ההבנה הפשוטה ביותר של תורת היחסות של אלברט איינשטיין אומרת שהיקום צריך להכיל גם כמות שווה של אנטי-חומר.
המודל הסטנדרטי אינו מסביר מדוע מחקרים על הקוסמוס טוענים כי החומר הרגיל של האטומים מהווה רק חמישה אחוזים מהחומר והאנרגיה של היקום. נראה כי השאר מורכב מחומר אפל ואנרגיה אפלה. חומר אפל הוא סוג של חומר החווה רק כוח משיכה ואף אחד מכוחות היסוד האחרים, ואילו אנרגיה אפלה היא סוג של כוח משיכה דוחה המחלחל לקוסמוס.
לפני הניתוחים הראשונים של ה- LHC, פיזיקאים כמוני קיוו שמפץ האטום יעזור לנו לענות על שאלות תמוהות אלה. תיאוריית המועמדים המצוטטת ביותר להסביר את החידות הללו נקראה העל-סימטריה. זה מציע שלכל החלקיקים התת-אטומיים הידועים יש חלקיקים עמיתים-עיליים. אלה, בתורם, יכולים לספק הסבר לחומר אפל ולענות על כמה שאלות אחרות. עם זאת, פיזיקאים לא הבחינו באף-סימטריה העל. יתרה מזאת, נתוני LHC פסלו את התיאוריות הפשוטות ביותר הכוללות סימטריה על-על. אז, מה השיג ה- LHC?
ה- LHC עשה המון
ובכן, מלבד כל העניין הזה של הביגון של היגס, ה- LHC הזין נתונים לארבעת שיתופי הפעולה הניסיוניים הגדולים שלו, והביא ליותר מ -2,000 מאמרים מדעיים. בתוך ה- LHC חולקו חלקיקים זה בזה באנרגיות גבוהות פי 6.5 מאלה שהשיגה פרמילאב טטרון, שהחזיק בתואר מאיץ החלקיקים החזק ביותר בעולם במשך רבע מאה, עד שה- LHC לקח את הכתר הזה.
הבדיקות הללו בדגם הסטנדרטי היו חשובות מאוד. כל אחת מאותן מדידות יכולה הייתה להיות לא מסכימה עם התחזיות, מה שהיה יכול להוביל לגילוי. עם זאת, מסתבר שהמודל הסטנדרטי הוא תיאוריה טובה מאוד, והוא הציג תחזיות מדויקות באנרגיות התנגשות של LHC כמו שקרה לרמות האנרגיה בטווטרון הקודמת.
אז האם זו בעיה? במובן ממש אמיתי, התשובה היא לא. אחרי הכל, המדע עוסק באותה מידה בבחינה ודחייה של רעיונות חדשים שגויים, כמו על אימות רעיונות נכונים.
מצד שני, אין להכחיש שמדענים היו נרגשים הרבה יותר למצוא תופעות שלא ניבאו קודם לכן. תגליות מסוג זה מניעות את הידע האנושי, שהגיע לשיאו בשכתוב של ספרי לימוד.
סיפור LHC לא נגמר
אז מה עכשיו? האם ה- LHC סיים לספר לנו את סיפורו? בקושי. אכן, החוקרים מצפים לשיפורים בציוד שיעזרו להם ללמוד שאלות שאינן יכולות לטפל בהן באמצעות טכנולוגיה עדכנית. ה- LHC נסגר בתחילת דצמבר 2018 לשנתיים שיפוצים ושדרוגים. כאשר המאיץ יחזור לפעילות באביב 2021 הוא יחזור עם עלייה קלה באנרגיה אך כפול ממספר ההתנגשויות בשנייה. אם לוקחים בחשבון שדרוגים עתידיים מתוכננים, מדעני LHC רשמו עד כה רק 3 אחוזים מהנתונים הצפויים. אמנם ייקח שנים רבות כדי לנפות את כל הממצאים, אך התוכנית הנוכחית היא לרשום פי 30 יותר נתונים ממה שהושג עד כה. עם כל כך הרבה נתונים לבוא, ל- LHC יש עדיין הרבה סיפור לספר.
ובכל זאת, בעוד שה- LHC יפעל ככל הנראה 20 שנה נוספות, סביר בהחלט לשאול גם "מה הלאה?" פיסיקאים של חלקיקים חושבים לבנות מאיץ חלקיקים עוקב שיחליף את ה- LHC. בעקבות מסורת ה- LHC, אפשרות אחת הייתה להתנגש בין קורות פרוטונים יחד באנרגיות מעוררות נפש - 100 טריליון וולט אלקטרונים (TeV), שהוא גדול בהרבה מהיכולת העליונה של ה- LHC של 14 טה. אך השגת אנרגיות אלו תדרוש שני דברים: ראשית, עלינו לבנות מגנטים חזקים פי שניים מאלו הדוחפים חלקיקים סביב ה- LHC. זה נחשב למאתגר אך בר השגה. שנית, אנו זקוקים למנהרה נוספת, בדומה לממשק ה- LHC, אך גדול בהרבה פי שלוש מסביב, עם היקף שטח כדור-שטח של 61 מייל (100 ק"מ), גדול בערך פי ארבעה מזה של ה- LHC.
אבל היכן תוקם המנהרה הגדולה הזו, ואיך היא תיראה באמת? אילו קורות יתנגשו ובאיזו אנרגיה? ובכן, אלה שאלות טובות. אנחנו לא מספיק רחוקים בתהליך ובקבלת ההחלטות כדי לקבל תשובות, אבל יש שתי קבוצות מאוד גדולות ומיומנות של פיזיקאים שחושבים על הנושאים, וכל אחת מהן הציעה הצעה למאיץ חדש. אחת ההצעות, המונעות ברובה על ידי קבוצות מחקר אירופיות, מדמיינת בניית מאיץ נוסף גדול, ככל הנראה ממוקם במעבדת CERN, ממש מחוץ לז'נבה.
תחת רעיון אחד, מתקן שם יתנגש בקורה של אלקטרונים ואלקטרונים נגד חומר. בגלל ההבדלים בין פרוטונים מאיצים בהשוואה לאלקטרונים - קרן אלקטרונים מאבדת יותר אנרגיה סביב המבנה המעגלי מכפי שקורה פרוטון - קרן זו הייתה משתמשת במנהרה שאורכה 61 קילומטר אך פועלת באנרגיה נמוכה יותר מאשר אם הייתה פרוטונים. הצעה אחרת תשתמש באותו מאיץ באורך 61 מייל כדי להתנגש בקורות פרוטונים. הצעה צנועה יותר תשתמש מחדש במנהרה LHC הנוכחית אך עם מגנטים חזקים יותר. אפשרות זו תכפיל רק את אנרגיית ההתנגשות מעל למה שה- LHC יכול לעשות כעת, אבל זו אלטרנטיבה פחות יקרה. הצעה אחרת, שחוקשה ברובה על ידי חוקרים סיניים, מדמיינת מתקן חדש לחלוטין, שנחשב ככל הנראה בסין. מאיץ זה יהיה גם כ- 61 מיילים מסביב, והוא יתנגש אלקטרונים ואנטי-אלקטרונים יחד, לפני שהוא יעבור להתנגשויות פרוטון-פרוטון בערך בשנת 2040.
שני הפרויקטים הפוטנציאליים הללו עדיין נמצאים בשלבי שיחה. בסופו של דבר, המדענים שמציעים הצעות אלה יצטרכו למצוא ממשלה או קבוצת ממשלות שמוכנים לעמוד על הצעת החוק. אך לפני שזה יכול לקרות, על המדענים לקבוע את היכולות והטכנולוגיות הנדרשות בכדי לאפשר את המתקנים החדשים הללו. שתי הקבוצות פרסמו לאחרונה תיעוד נרחב ויסודי אודות העיצובים שלהן. זה לא מספיק כדי לבנות את המתקנים המוצעים שלהם, אבל זה מספיק טוב כדי להשוות בין ההופעות החזויות של המעבדות העתידיות ולהתחיל להעלות תחזיות עלות אמינות.
חקירת גבול הידע היא מאמץ קשה, וזה יכול לקחת עשרות שנים רבות החל מהחלומות הראשונים לבנות מתקן בסדר גודל כזה, דרך פעולות ועד כיבוי המתקן. כאשר אנו מציינים 10 שנים לקרן הראשונה ב- LHC, כדאי לרשום מה המתקן שהושג ומה העתיד יביא. נראה לי שיהיו נתונים מרגשים עבור הדור הבא של המדענים ללמוד. ואולי, רק אולי, נלמד עוד כמה מהסודות המרתקים של הטבע.
דון לינקולן הוא חוקר פיזיקה ב פרמילאב. הוא המחבר של "קדרדר הדרון הגדול: הסיפור יוצא הדופן של היגס בוסון ודברים אחרים שיעיפו את דעתך"(הוצאת אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, 2014), והוא מייצר סדרה של חינוך מדעי קטעי וידאו. תעקוב אחריו בפייסבוק. הדעות המובאות בפרשנות זו הן שלו.
דון לינקולן תרם מאמר זה ל- Live Science קולות מומחים: Op-Ed & Insights.
