מחקר תחילת היקום ע"י מאיצי חלקיקים

מחקר תחילת היקום ע"י מאיצי חלקיקים
 
להלן מספר מונחים הדרושים להבנת המאמר:
 

אלקטרון וולט (eV) - יחידת מידה לכמות האנרגיה בה זוכה אלקטרון חופשי בעוברו בשדה מתח אלקטרוסטטי של וולט אחד. זוהי אנרגיה השווה ל-  eV ≈ 1.602 × 10-19 J.
 

יון - אטום (או מולקולה) שאלקטרונים נוספו או נגרעו ממנו, כך שיש לו מטען חשמלי חיובי או שלילי בהתאמה.
 

קווארק (quark) - אחד מהחלקיקים האלמנטאריים - אבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר, שידועים בפיזיקה. קוורקים מגיבים באופן חזק עם הכוח הגרעיני החזק. לקווארקים מטען של 1/3± או של 2/3± ממטען האלקטרון. הם לעולם לא נמצאים באופן מבודד, אלא רק בתוך חלקיקים המורכבים מכמה קווארקים.
 

גלואון - השם הניתן למשפחה של שמונה חלקיקי יסוד הנושאים את הכוח הגרעיני החזק.
 

הדרון - מצב שבו קשורים קווארקים וגלואונים ויוצרים קבוצה של חלקיקים תת-אטומיים.
 

מיקרו שניה (uS) – פרק זמן השווה מיליונית של שניה אחת.
 
-------
 
כדי לחקות את התנאים ששררו בראשית היקום משתמשים מדענים במפצח אטומים רב-עוצמה, המצוי במעבדה הלאומית של ברוקהייבן בלונג איילנד, וממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקני. מתקן זה, הקרוי "מאיץ יונים כבדים יחסותי" (RHIC), מפגיש שתי אלומות של גרעיני זהב הנעים במהירויות הקרובות למהירות האור. התנגשויות חזיתיות בין זוגות גרעיני זהב משתי האלומות מחוללות פרצי חומר ואנרגיה חמים וצפופים ביותר, בתהליך המדמה את מה שהתחולל במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול. "מיני-מפצים" קצרים אלו מרמזים על התהליכים שאירעו ברגעים הראשונים של הבריאה.
 
בתחילת 2008 צפוייה הפעלתו של LHC  ‏(Large Hadron Collider) - מאיץ החלקיקים הממוקם ב-CERN על גבול שווייץ - צרפת. בניית המאיץ היא אחד הפרויקטים השאפתניים ביותר במדע - גודלו 27 קילומטר קוטר, ועלותו למעלה מ-3 מיליארד אירו.
לפרוטונים בהם ישתמשו תהיה אנרגיה של 7TeV (TeV14 בהתנגשות). ניתן יהיה להשתמש ב-LHC גם כדי להאיץ יונים כבדים כמו עופרת (TeV1150 בהתנגשות).
פיזיקאים מקווים שה-LHC יעזור להם לענות על מספר שאלות בסיסיות וחשובות:

מהי מסת קווארק
מה מקורה של המסה של כל החלקיקים
מדוע לחלקיקים אלמנטריים יש מסות שונות
האם חלקיקים על-סימטריים אכן קיימים
האם אכן קיימים ממדים נוספים, כפי שמנבאת תורת המיתרים
האם ניתן לייצר חורים שחורים זעירים בניסוי האצת חלקיקים
 
-------------
 
במשך מיקרו-השניות הראשונות להיוצרות היקום, היה החומר בליל חם ביותר ודחוס מאוד של חלקיקים הקרויים קוורקים, גלואונים, וחלקיקים אלמנטריים אחרים, שנעו לכל עבר והתנגשו זה בזה. טמפרטורת התערובת הייתה בסדר גודל של טריליון מעלות, טמפרטורה החמה פי 100,000 מזו של ליבת השמש.
 
עם התפשטות היקום, החל החומר להתקרר, בדיוק כפי שגז רגיל מתקרר כשהוא מתפשט במהירות. הקוורקים והגלואונים האטו כל כך, עד שכמה מהם יכלו להיצמד יחד לפרקי זמן קצרצרים. כעבור כ-10 מיקרו-שניות, עקב כוחות המשיכה החזקים ביניהם, התקבצו הקוורקים והגלואונים באופן קבוע ויצרו פרוטונים, נויטרונים וחלקיקים אחרים המגיבים לכוח הגרעיני החזק, הנקראים בשם הכולל "הדרונים".
 
שינוי חד כזה בתכונותיו של חומר נקרא מעבר פאזה. מעבר הפאזה הקוסמי מן התערובת המקורית של קוורקים וגלואונים אל אותה תערובת של פרוטונים ונויטרונים רגילים, הוא מקור עניין עצום למי שמחפשים את דרך התפתחותו של היקום לעבר מצבו המבני הנוכחי.
 
הפרוטונים והנויטרונים היוצרים את גרעיני האטומים כיום, הם שרידים של אותו בליל קדמון, ומהווים מעין תאי כלא תת-אטומיים עבור הקוורקים הנעים בהם, כלואים לעד. אפילו בהתנגשויות רבות-עוצמה, כשנדמה שהקוורקים יוכלו להשתחרר, נוצרים "קירות" חדשים שמשאירים אותם כלואים. על אף ניסיונות של מדענים רבים, איש מהם לא הצליח לזהות קוורק יחיד הנע לבדו בגלאי חלקיקים.
 
RHIC מציע לחוקרים הזדמנות לצפות בקוורקים ובגלואונים, משוחררים מתוך פרוטונים או נויטרונים, ומצויים במצב חופשי-לכאורה, הדומה למצב ששרר באותן מיקרו-שניות קדומות של היקום. התיאורטיקנים נתנו לבליל הזה את השם  - "פלזמת קוורק-גלואון", מאחר שציפו שתכונותיה יהיו דומות לתכונותיו של גז חם ביותר של חלקיקים טעונים (פלזמה), בדומה למה שנוצר במכת ברק.
 
RHIC, שמפציץ גרעינים כבדים זה בזה במעין "מפצים קטנים" ומשחרר לזמן קצר קוורקים וגלואונים, משמש למעשה כמין טלסקופ בזמן, המאפשר להציץ ליקום הקדמון, שבו שלטה אותה פלזמה חמה ודחוסה של קוורק-גלואון. ההפתעה הגדולה ביותר עד כה ב-RHIC היא, שאותוהחומר מתנהג בצורה הדומה לנוזל בעל תכונות מיוחדות, הרבה יותר מאשר לגז.
 
הכוח המצמיד את הקוורקים נחלש ככל שהם מתקרבים זה לזה. תופעה זו נקראת בשם "חופש אסימפטוטי". הוא גורם לכך שכששני קוורקים מצויים קרוב זה לזה, במרחק הקטן מקוטרו של פרוטון (כ-10-13 סנטימטר), הם חשים כוח מוחלש, הניתן לחישוב בדיוק רב בעזרת שיטות תיקניות. רק כשהקוורקים מתחילים להתרחק זה מזה, הופך הכוח ביניהם לחזק באמת ומושך את החלקיקים בחזרה.
 
כל עוד הטמפרטורה הייתה גבוהה מ-10 טריליוני מעלות, הקוורקים והגלואונים התנהגו למעשה כחלקיקים עצמאיים. גם בטמפרטורות נמוכות יותר, עד כ-2 טריליוני מעלות, הקוורקים המשיכו לשוטט באופן עצמאי, אלא שאז הם כבר התחילו לחוש את השפעתו של הכוח הגרעיני.
 
כדי לדמות תנאים כאלו על כדור הארץ, יש ליצור מחדש את הטמפרטורות, הצפיפויות והלחצים האדירים ששררו במיקרו-שניות הראשונות. טמפרטורה היא למעשה אנרגיה קינטית ממוצעת של חלקיק, המצוי בין אוסף של חלקיקים דומים, ואילו הלחץ גדל עם הגדלת צפיפות האנרגיה של אותו אוסף חלקיקים. לכן, החדרת כמות אנרגיה גדולה ככל האפשר לתוך נפח קטן ככל האפשר, מקרבת את שחזור התנאים ששררו במפץ הגדול.
 
בניסויים הנערכים ב-RHIC, הגרעינים נעים במהירות העולה על 99.99% ממהירות האור, ומגיעים לאנרגיות של 100 מיליארד אלקטרון-וולט (GeV100). שתי שרשראות העשויות מ- 870 מגנטים מוליכי-על, המקוררים בעזרת טונות של הליום נוזלי, מכוונות את האלומות סביב שתי טבעות משולבות שגודלן 3.8 ק"מ כל אחת. האלומות מתנגשות חזיתית בארבע נקודות שבהן הטבעות חוצות זו את זו. ארבעה גלאי חלקיקים מתוחכמים, הקרויים ברהמס, פניקס, פובוס וסטאר, מקליטים את המידע המתעד את החלקיקים העפים לכל עבר כתוצאה מאותן התנגשויות רבות עוצמה.
 
כששני גרעיני זהב מתנגשים חזיתית באנרגיה הגבוהה ביותר הניתנת להשגה ב-RHIC, הם מרכזים אנרגיה של יותר מ- GeV 20,000 לתוך כדור אש מיקרוסקופי שקוטרו כטריליונית הסנטימטר. בכך נוצרים עוד קוורקים, אנטי-קוורקים (חלקיקי אנטי-חומר, בני-הזוג של הקוורקים) וגלואונים. יותר מ-5,000 חלקיקים אלמנטריים משתחררים להרף עין בהתנגשות אופיינית. הלחץ שנוצר ברגע ההתנגשות הוא אדיר, גדול פי 1030 מן הלחץ האטמוספרי. בהתנגשות של גרעינים כבדים, המכילים כ-200 פרוטונים ונויטרונים כל אחד, הטמפרטורה הנוצרת עולה על -5 טריליוני מעלות.
 
אך לאחר כ-50 טרילוניות של טריליונית השנייה (10-235 x שניות) כל הקוורקים, האנטי-קוורקים והגלואונים מתרכבים שוב ויוצרים הדרונים, שעפים החוצה בהתפוצצות לעבר הגלאים שמסביב. מחשבים רבי עוצמה מקליטים מידע רב על אלפי החלקיקים המגיעים לגלאים. שניים מן הניסויים - ברהמס ופובוס, הם קטנים יחסית ומתרכזים בניתוח מאפיינים ספציפיים של החלקיקים היוצאים מההתנגשות. שני הניסויים האחרים - פניקס וסטאר, בנויים סביב מתקנים ענקיים ורב-תכליתיים הממלאים שלוש קומות של אולמות בטונות של מגנטים, גלאים, בולעי קרינה ומגיני קרינה.
 
צפיפויות האנרגיה שהושגו בהתנגשויות החזיתיות שבין גרעיני הזהב הן אדירות - גדולות פי 100 מצפיפות הגרעינים עצמם, בעיקר בזכות אפקטים יחסותיים. מנקודת המבט של המעבדה, שני הגרעינים משוטחים על ידי אפקט יחסותי לדיסקים שטוחים ביותר של פרוטונים ונויטרונים רגע לפני ההתנגשות. לכן כל האנרגיה שלהם דחוסה בנפח קטן מאוד ברגע ההתנגשות. פיזיקאים מעריכים שצפיפות האנרגיה המתקבלת גדולה פי 15, לפחות, מזו הנחוצה כדי לשחרר את הקוורקים והגלואונים. החלקיקים מתחילים לעוף מיד כל עבר, פוגעים זה בזה שוב ושוב וכך גורמים לחלוקת אנרגיה הקרובה יותר להתפלגות תרמית.
 
אפשר למצוא עדות להיווצרותו של תווך כה חם ודחוס בתופעה הקרויה "מעיכת סילון". כששני פרוטונים מתנגשים באנרגיות גבוהות, כמה מן הקוורקים והגלואונים שלהם עשויים להיפגש כמעט פנים אל פנים ולהירתע לאחור, דבר שגורם להיווצרות זוג זרמים דקים (סילונים) של הדרונים, היוצאים גב אל גב מנקודת ההתנגשות לכיוונים הפוכים. אבל בגלאים פניקס וסטאר נצפה רק מחציתו של זוג כזה בהתנגשויות בין גרעיני הזהב. הסילונים היחידים מורים על כך שקוורקים וגלואונים אכן מתנגשים באנרגיות גבוהות. באשר לסילון השני - נראה שהקוורק או הגלואון שנרתע צלל אל תוך התווך החם והדחוס שנוצר, ושהאנרגיה הגבוהה שלו התפזרה במפגשים עם קוורקים וגלואונים אחרים בעלי אנרגיה נמוכה.
 
התמונה העולה מהניסויים היא עקבית: הקוורקים והגלואונים אכן משתחררים מן ה"ריתוק" ומתנהגים באופן קולקטיבי, אף כי לשבריר של שנייה, ומתברר שהתערובת החמה הזאת מתנהגת כמו נוזל.
רמזים להתנהגות דמוית נוזל של התווך קוורק-גלואון התקבלו כבר בשלבים מוקד

תקצירים נוספים אודות מחקר תחילת היקום ע"י מאיצי חלקיקים