כמו אלקטרון על תיל – סיפור על גלאי חלקיקים ומגלי ארצות

.
ז'ורז' שרפק, חתן פרס נובל בפיסיקה לשנת 1992, ידיד אמת של ישראל,
מת אתמול בפריס, בגיל 86. גלאי החלקיקים שהמציא, ושזיכו אותו
בפרס, מהווים מרכיב מרכזי גם במאיץ החלקיקים החדש, LHC, הפועל
כיום במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, CERN, שליד ג'נבה.
.
הנה הסיפור הלא גמור על גלאי החלקיקים האלה, ששירתו ומשרתים את
הפיסיקאים במסעותיהם לגילוי ארצות חדשות של ידע ותובנות על
העולם שבו אנו חיים.
.
רוב התגליות החשובות בעשורים האחרונים, בתחום הפיסיקה
של החלקיקים האלמנטריים, בוצעו באמצעות גלאי חלקיקים
שפותחו בשנות השישים והשבעים בידי פרופ' ז'ורז' שרפאק,
שעמד בראש צוות מחקר ופיתוח ב-CERN.
.
הניסיונות בפיסיקת החלקיקים מבוצעים באמצעות מאיצי חלקיקים
הגורמים לחלקיקים נעים להתנגש אלה באלה, או במטרות נייחות
שונות. כתוצאה מההתנגשויות עתירות האנרגיה האלה, מתפרקים
החלקיקים למרכיבים בסיסיים יותר ויותר, שמשך הקיום שלהם קצר
מאוד, מהירותם רבה מאוד וממדיהם זעירים במיוחד. הקושי שלפניו
ניצבים החוקרים, מתבטא בין היתר, בצורך לגלות בעת ובעונה אחת,
את עצם קיומם, את זהותם ואת מסלול תנועתם של עשרות ומאות
החלקיקים, תוצרי ההתנגשות.
.
למטרה זו השתמשו בעבר בגלאי חלקיקים שהורכבו משכבות
של סרטי צילום. חלקיקים שעברו דרכם, השחירו את סרטי הצילום,
וכך, השלכה של סרטי הצילום אלה על אלה (באותה שיטה שבה
ביצעו בעבר אנימציה), איפשרה לזהות את מסלולי התנועה של החלקיקים.
על פיתוח הגלאים האלה קיבל ססיל פאוול את פרס נובל לפיסיקה
בשנת 1950. לאחר מכן, פותחו גלאי חלקיקים מסוג "תא בועות".
בתא זה הוחזק נוזל בטמפרטורה קרובה מאוד לטמפרטורת הרתיחה
שלו. זמן קצר לפני שחלקיקים טעונים עוברים בתא כזה ומיננים
את הנוזל, מפעילים החוקרים במהירות לחץ על הנוזל. כתוצאה
מכך, רותח הנוזל לאורך מסלול החלקיק, כך שמסלולי החלקיקים נראים
כרצף של בועות זעירות. את התופעה הזאת צילמו, ולאחר מכן סרקו
את התצלומים בחיפוש אחר "אירועים" שונים, כמו פליטות, בליעות,
התנגשויות משנה ועוד. התמונה שהתקבלה בגלאים אלה הצטיינה
באיכות טובה, אבל למעשה, החוקרים שהפעילו אותם "ירו באפלה"
ולא יכלו לברור אירועים רצויים משלל האירועים שהתרחשו
כתוצאה מהתנגשות החלקיקים. כך, בסוף הניסוי, היה צורך לסרוק
תצלומים רבים, בחיפוש אחר אירועים בודדים נבחרים. שני פרסי
נובל הוענקו למפתחי הגלאים האלה. דונאלד גלזר זכה בפרס
בשנת 1960, ולואיס אלוורז, בשנת 1968.
.
אי יכולתם של תאי הבועות לברור אירועים רצויים, הביאה
לפיתוח דור חדש של גלאים, שהתבססו על "תאי ניצוצות". תאים
אלה נבנו משני לוחות מתכת דקים, שאחד מהם נשא פוטנציאל
חשמלי חיובי, והשני נשא פוטנציאל חשמלי שלילי. בין הלוחות
הוזרם גז (בדרך כלל תערובת של הליום וניאון בתוספת גז פחמימני
כלשהו). החלקיקים שעברו במבנה הזה, ייננו את הגז וגרמו לפריצת
ניצוץ חשמלי. מספר רב של תאים כאלה, שהוצבו בזה אחר זה,
יכלו לשרטט – באמצעות צילום הניצוצות – את מסלוליהם של
החלקיקים. מערכים של גלאי ניצנוץ (שהחלקיקים שעברו בהם
עוררו מולקולות בגביש, וכתוצאה מכך הפיקו הבזק אור), שהוצבו
לפני ואחרי הגלאי העיקרי, איפשרו לברור אירועים רצויים מתוך
שלל האירועים שהתרחשו בהתנגשויות שונות. אבל, מספר התאים
שאפשר היה לכלול בגלאי אחד, היה מוגבל (מסיבות טכניות), מה
שהגביל את הצפיפות והדיוק של מסלולי החלקיקים שהפיק הגלאי
כולו. בנוסף לכך, מערכות הצילום הגבילו את קצב הפעולה היעיל
של הגלאי לכמה עשרות אירועים בשנייה.
.
דיוק רב יותר, הקרוב לזה שהושג בתאי הבועות, הושג באמצעות
גלאי זליגה, שהיו מכלי גז גדולים, שלפניהם ואחריהם הוצבו
"נצנצים". כאשר ניצנץ הנצנץ המעיד על התרחשות אירוע מבוקש,
הושרה בגז שבמכל, בין שני מגעים, מתח גבוה (300,000 וולט) למשך
זמן קצר מאוד (שתי מיליארדיות השנייה). כך, החלקיק שנע בגז הטעון
"פיזר" לאורך מסלולו ניצוצות זעירים מאוד, שאפשר היה לצלמם.
בשיטה זו הופקו תמונות מדויקות, באיכות טובה, תוך ברירת אירועים
רצויים. אבל, היו אלה גלאים מסובכים ויקרים מאוד, וקצב איסוף
האירועים בהם, היה אטי מזה של תאי הניצוצות.
.
כאן, פחות או יותר, נכנס לתמונה פרופ' שרפאק, שהיה גם בין
מפתחי תאי הניצוצות. הוא הציע לשלב את יתרונות תא הזליגה
(דיוק, ברירת מאורעות), עם יתרונותיו של תא הניצוצות (פשטות
יחסית, ללא צורך בהשראת מתחים חשמליים גבוהים). בתחילה
פיתחו גלאי ניצוצות שהתבסס על שריגי תילים נושאי מתח חשמלי,
במקום הלוחיות שבמקור. חלקיקים העוברים בגלאי, גורמים ליצירת
ניצוצות זעירים כאשר מופעלים דחפי מתח חשמלי נמוך יחסית
(2,000 וולט). עדשה שהוצבה מחוץ לגלאי, איפשרה לקבל ממנו
מידע מדויק על מסלולי החלקיקים, תוך ברירת אירועים מבוקשים.
כך הצליחו להפיק את כל יתרונותיו של גלאי הזליגה, במתקן
פשוט יחסית.
.
בשלב זה הציעו ליצור גלאי ענק, שנועד לחקר חלקיקי הניטרינו.
לפי התוכנית, היה הגלאי צריך להכיל חומר צפוף שיהווה גם
מטרה שבה יפגעו החלקיקים, ולבניית האלקטרודות שלו, נדרשו כמויות
ניכרות של תילי טונגסטן, שהוא מתכת יקרה למדי. בשלב מסוים,
כאשר נראה היה שמחירו הגבוה של הטונגסטן יוריד את העניין
מהפרק, הציע שרפאק, בהומור האופייני לו, פתרון כלכלי: להשתמש
לקניית הטונגסטן בכספי קרן הפנסיה של עובדי CERN ולבצע את
הניסוי. בינתיים, הסביר לפיסיקאים הנדהמים, בשל הקנייה של הכמויות
הגדולות, יעלו מחירי הטונגסטן בעולם. ואז, לאחר שיסתיים הניסוי,
נוכל למכור את הטונגסטן ברווח, ולהחזיר את הכסף לקרנות הפנסיה.
.
יישומו של הגלאי הזה, נדחה לבסוף בעקבות התפתחותה המהירה
של שיטה מהפכנית לבניית גלאי חלקיקים, שהציע שרפאק עצמו בסוף
שנות השישים. שיטה חדשה זו, דחקה את כל הגלאים שהתבססו על
צילום האירועים. הגלאים החדשים האלה, שעל פיתוחם זכה שרפאק
בפרס נובל, מכונים גלאים יחסיים רבי תילים. הם מבוססים על מדידה
אלקטרונית של מסלולי החלקיקים, המתאפשרת הודות להכפלת מטענים
חשמליים המושרים בגלאי. גלאים אלה מאפשרים ברירת אירועים
בקצב פעולה של עשרות ומאות אלפי אירועים בשנייה.
.
רעיונו זה של שרפאק, הושתת על מחקריו המעמיקים בתחום גלאי
הקרינה, ובמיוחד על הבנת התהליכים המתרחשים בגז, בסמוך לתיל
מתכתי דק, הנושא מתח חשמלי, בעת שהאלקטרונים (תוצרי התנגשות
החלקיקים עם מולקולות הגז), נאספים אליו. המתח החשמלי יוצר
בקרבת התיל שדה חשמלי גבוה מאוד, מה שגורם לאלקטרונים שנוצרו
בגז, להיסחף לעברו, תוך שהם מייננים בדרכם מולקולות גז נוספות.
כתוצאה מכך, משחררת כל אחת מהמולקולות האלה, שני אלקטרונים
המייננים מולקולות אחרות, וכך הלאה, בתהליך הקרוי "מפולת של
אלקטרונים". הכפלה חוזרת של מספר האלקטרונים, מגדילה את
עוצמתו של האות החשמלי המושרה בתיל, באופן יחסי למספרם
של האלקטרונים הראשוניים שנוצרו בגז על-ידי החלקיק המיינן,
ועובדה זו היא המאפשרת לגלות בדרך זו את האירועים
המקוריים (מעבר חלקיקים בתווך הגזי).
.
מכיוון שכל תיל בשריג המרכיב את הגלאי יוצר שדה חשמלי
משלו, כל אלקטרון שנוצר כתוצאה מפגיעת חלקיק בתחום השדה
הזה, נע לאורך קווי השדה, כך שהוא יכול להגיע ולהיאסף אל
תיל אחד בלבד – שלידו הוא מוכפל במפולת של אלקטרונים.
עובדה זו מאפשרת לגלות את האתר שבו התנגש החלקיק המבוקש
במולקולת גז (המציף את הגלאי).
.
שרפאק הבין שהאות החשמלי נוצר לא רק בשל תנועת האלקטרונים
הנאספים אל התיל (הנושא מטען חשמלי חיובי), אלא גם בזכות היונים
נושאי המטען החשמלי החיובי – הנוצרים בתהליך של "מפולת
האלקטרונים" בקרבת התיל – הנעים לאורך קווי השדה החשמלי
"לאחור", אל לוחיות המתכת המצויות בהיקף הגלאי, והנושאות
מטען חשמלי שלילי. הוא גילה, כי "מפולת האלקטרונים" אינה
סימטרית, וכי היא תלויה בכיוון שממנו נאספו האלקטרונים אל
התיל. בעקבות זאת, הציע להשתמש בעת ובעונה אחת באותות
שמשרים האלקטרונים בתיל, ובאותות שמשרים היונים על הלוחיות
הנושאות מטען חשמלי שלילי. בדרך זו ניתן היה לזהות במדויק את
מקומה של "מפולת האלקטרונים".
.
בהמשך הציע שרפאק להגדיל עוד יותר את דיוקם של הגלאים,
באמצעות מדידת הזמן שבו האלקטרונים הראשוניים נסחפים אל התיל.
גלאים אלה, המכונים "גלאי סחיפה", איפשרו לרשת ולמקם במדויק –
באופן דו-ממדי ואף תלת-ממדי – את האירועים הראשוניים, ועל-פיהם,
לשרטט את מסלולי החלקיקים.
.
שרפאק, בן למשפחה יהודית מפולין, שהיגרה באורח לא חוקי לפאריס,
בשנת 1932, סיפר על אביו שעבד כסבל, ועל אימו התופרת. מאוחר יותר,
הצטרף ז'ורז' הצעיר למחתרת, לחם בנאצים, נעצר על-ידם, ושוחרר עם
תום מלחמת העולם. רק אז החל ללמוד פיסיקה, ופתח בקריירה מדעית.
.
בשנת 1968 הציג שרפאק את גלאי התילים המעשי הראשון שלו.
ההשפעה על הקהילה המדעית הייתה מהירה ו"סוחפת" (אם מותר
להשתמש במילה זו בהקשר זה). בתוך שנתיים, פירקו פיסיקאים
בכל העולם את גלאי החלקיקים הקודמים שלהם, ובנו במקומם
גלאי תילים גדולים על-פי עקרונותיו של שרפאק. מאז נבנו על-פי
העקרונות האלה מאות גלאי חלקיקים, שהותאמו לניסויים שונים
בפיסיקה של חלקיקים אלמנטריים ופיסיקה גרעינית. בין התגליות
העיקריות שנתגלו הודות לשימוש בגלאים האלה אפשר למנות
את גילוי חלקיקי ג'יי-פסיי שהוכיחו את קיומן של שתי "משפחות"
קווארקים (סאם טינג וברטון ריכטר, 1974); גילוי חלקיק אפסילון
המורה על קיומו של קווארק חמישי, מ"משפחה" שלישית של
קווארקים (ליאון לדרמן, 1976); וגילוי החלקיקים הבוזונים
W ו-Z הנושאים את הכוח הגרעיני החלש (קרלו רוביה, 1982).
.
בשנים האחרונות, לאחר צאתו לגמלאות מעבודתו ב-CERN,
עסק שרפאק, בין היתר, בתכנון ובבניית גלאי קרינה המיועדים
ליישומים ביולוגיים ורפואיים שונים. כזה, למשל, הוא גלאי הקרינה
שנכלל במתקני המיפוי הפוזיטרוניים – PET. מתקנים אלה מבצעים,
למשל, מיפוי של תהליכים שונים במוח של מטופלים חיים, בזמן
אמיתי. ה-PET מבוסס על סימון חומרים שונים המועברים אל המוח,
באמצעות חומרים רדיואקטיוויים הפולטים קרינת ביתא חיובית (כלומר,
פוזיטרונים במקום אלקטרונים). זמן קצר מאוד (חלקיק שנייה) אחרי
שמתבצעת הפליטה, מתנגש הפוזיטרון (שהוא מעין אלקטרון בעל
מטען חשמלי חיובי), עם אלקטרון "רגיל", שמטענו החשמלי שלילי.
כתוצאה מההתנגשות הזאת שבין חומר ל"אנטי-חומר", מתחסלים שני
החלקיקים, ובמקומם נוצרים חלקיקי אור – פוטונים של קרינת גאמה.
זיהוי המקום המדויק שבו נוצרו הפוטונים, מאפשר לחוקרים למפות
במדויק את המקום שממנו באה הקרינה הרדיואקטיווית, שהוא המקום
שאליו התקשר החומר שמבקשים לעקוב אחריו.
.
רעיונות נוספים שהציע שרפאק במטרה לרתום את הפיסיקה לשירות
הביולוגיה והרפואה, כוללים שיטות לשיקוף רפואי באמצעות פרוטונים
אנרגטיים, שיטות להדמיית קרינת גאמה, למדידת פיזור של קרינת X
(רנטגן (ממולקולות אורגניות מורכבות, ולהדמיית דוגמאות חומר
ה"מסומנות" בחומרים רדיואקטיוויים הפולטים קרינת ביתא.
.