מאיץ ההאדרונים הגדול 2.0: מה מקווים לגלות שם?

לפני יומיים, מאה מטרים מתחת לקרקע בגבול צרפת-שוויץ, החלו קרני הפרוטונים לנוע שוב בתוככי מאיץ ההאדרונים הגדול (LHC), מאיץ החלקיקים הגדול והחזק בעולם – לאחר הפוגה בת שנתיים. למדענים של CERN יש תוכניות גדולות למאיץ בעונת הפעולה השניה שלו. מה בתפריט? סופר סימטריה, חומר אפל ומרק מראשית היקום.

לאחר שנתיים של תחזוקה ושדרוג, וכמה חודשים של הכנות לאתחול מחדש, מאיץ ההדרונים הגדול, ה-LHC, חזר לפעולה. השבוע החלו קרני הפרוטונים לנוע שוב בצינורות הטבעתיים של המאיץ שאורכם 27 קילומטר במהירות הקרובה למהירות האור.

כרגע, מופעלות הקרניים "רק" ב-450 מגה אלקטרון וולט (יחידת מידה השווה למיליון פעמים האנרגיה של אלקטרון חופשי הנע במפל מתחים של וולט אחד), אולם בשבועות הקרובים יגבירו בהדרגה את העוצמה של הקרניים ל-13 TeV (שלושה עשר אלף מיליארד) טרה אלקטרון וולט – שדרוג רציני מ-7 TeV המקוריים של המאיץ – עוצמה כמעט כפולה. העוצמה זו תאפשר יצירת קרניים צפופות יותר, ויותר התנגשויות פרוטונים מגירסת המאיץ טרום השדרוג.

צילום: CERN

בוזון היגס הוא רק ההתחלה

השיא החדש הזה יאפשר למדענים למתוח את גבולות חקר הפיזיקה הידועה לנו, ואת ההבנה של יסודות החומר. בעונת הפעולה השנייה של המאיץ, המתוכננת עד 2018 (אז יתרחש השדרוג הבא), ימשיכו המדענים לאשש את קיומו של חלקיק בוזון-היגס ("החלקיק האלוהי") שהתגלה בניסוי המאיץ בעונת הפעולה הראשונה שלו, עוד ב-2012.

העוצמה הגבוהה יותר של המאיץ תיצור יותר התנגשויות שיביאו ליצירה של יותר חלקיקי בוזון-היגס, מה שיאפשר לחוקרים למדוד אותו יותר בדייקנות, ולגלות הבדלים זעירים בין התיאור שלו במודל הסטנדרטי ובין ההופעה שלו בפועל.

עוד בתוכנית המחקר, היא למצוא חלקיקים אקזוטיים נוספים. תיאוריות מסויימות בפיזיקה טוענות שבוזון היגס הוא רק ההתחלה, ולמעשה הוא חלק מ"משפחה" של חלקיקים שטרם גילינו. הם שם, אבל כיון שהם אינם משתתפים בכוח האלקטרומגנטי, קשה לגלותם.  אבל אם לחלקיקים האלה "מהצד האפל" יש מסה, תהיה להם איזושהי תגובה עם השדה המיוחס לבוזון-היגס. המשמעות: החלקיקים, כמו האמת, נמצאים אי שם בחוץ, ובעונה השניה ינסו המדענים לחבר בעזרת התגליות במאיץ בין המודל הסטנדרטי לחלקיקים החדשים והלא ידועים.

צילום: CERN

תעלומת החומר האפל

ואם כבר עוסקים בחלקיקים לא ידועים, פרויקט מחקר נוסף המתוכנן לעונה השנייה של המאיץ, הוא ניסיון לפתור את התעלומה של "החומר האפל" ביקום. החומר האפל מרכיב את מרבית היקום, אבל אנחנו יכולים לחוש רק את השפעות הכבידה שלו. מהו החומר האפל? רעיון אחד טוען כי הוא עשוי מחלקיקים "סופר סימטריים" – חלקיקים תיאורטיים שקיומם טרם הוכח ניסויית, ההולכים יחד יד ביד עם אלה שכבר מוכרים באמצעות המודל הסטנדרטי.

החלקיקים האלה הם חלק מתיאוריה פיזיקלית צעירה יחסית, תיאוריית הסופר סימטריה, המרחיבה את המודל הסטנדרטי שנוסח בשנות ה-70, ומיישבת בין תורת היחסות הכללית והתיאוריה הקוונטית. גילוי החלקיקים האלה, יפתור בעיה חשובה וייתן הסבר למאסה של בוזון-היגס. אם התיאוריה הזו נכונה, חלקיקים סופר סימטריים יופיעו בהתנגשויות האנרגיה הגבוהה במאיץ ההאדרונים הגדול.

ואם כל זה עוד לא פוצץ לכם את המוח, אז מה דעתכם על גילוי מימדים נוספים? המודל הסטנדרטי לא כולל הסבר לכבידה, כאשר הכבידה היא חלשה יותר מהכוחות הבסיסיים האחרים. תיאוריות מסויימות טוענות שהכבידה מתפזרת למימדים אחרים. תיאוריות אלה חוזות שאם לאטומים יש מצב בסיסי נמוך אנרגיה ומצבים טעוני אנרגיה, יש גם גירסאות כבדות יותר של החלקיקים בממדים אחרים. אם חלקיקים כאלה יתגלו במאיץ של CERN, הם עשויים להעיד על קיומם של מימדים אחרים.

ההתנגשויות הראשונות לאחר האתחול. צילום: CERN

המרק שבראשית היקום

כפי שבטח שמתם לב עד כה, מאיץ ההאדרונים הגדול, שהוא פרויקט המחקר האנושי הכי יקר אחרי חקר החלל, עוסק בעיקר בחוד החנית של פיזיקה תיאורטית, וניסיונות ממשיים להבין את יסודות החומר, ממה מורכב היקום וממה אנחנו או כל חומר אחר שנמצא בקיום (וקצת מעבר לו) עשויים. במסגרת הזאת, ייחקר גם האנטי-חומר. עוצמות הפעולה החדשות של המאיץ יאפשרו ליצור יותר אנטי-חלקיקים, לצורך מחקר מעמיק יותר בשאלה: האם תכונותיו של האנטי חומר שונות מאלה של החומר?

ונקנח בפיצוץ. למשך כמה מיליוניות של שניה, מיד אחרי המפץ הגדול, היקום היה מורכב מ"מרק" של חלקיקים שנעו במהירות האור. התבשיל הזה היה עשיר בקווארקים ובגלואונים, שהם נשאי הכוח ש"מדביק" קווארקים יחדיו ליצירתם של פרוטונים, ניוטרונים וכיוצא באלה. ברגעים ברי החלוף הראשונים הללו של היקום, הקווארקים והגלואונים היו מחוברים בצורה רופפת, ונעו בחופשיות במה שמכונה פלזמת קווארק-גלואון. ההתנגשויות במאיץ ההדרונים הגדול יאפשרו הבנה טובה יותר של מה הייתה אותה הפלזמה בתחילת ימיו של היקום.