מה היקום רואה כשהוא מסתכל במראה? אגו, אלתר אגו, חומר ואנטי-חומר. סיפור על דבר והיפוכו

.
פיסיקאים מהמעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים, CERN שליד
ג'נבה, מדווחים על 16 דקות של שכרון חושים, בחברת ה"אלתר אגו" של
החומר ביקום. רוצים לדבר על זה?
.
תארי לך שהיית גרה בבית המראה", אומרת עליסה לחתולתה בפתיח
ל"עליסה בארץ המראה" של לואיס קרול", האם יתנו לך חלב שם? והאם טעמו
של חלב-מראה טוב כטעמו של חלב רגיל?". השאלה הזאת נובעת מתצפית
קודמת שביצעה עליסה, ושלפיה "חדר האורחים הנראה במראה, כמוהו כחדר
האורחים שלנו עצמו – רק שסדר הדברים בו הפוך". מדענים המנסים לחקור
את צפונותיו של האנטי-חומר, מוצאים את עצמם במצב דומה למדי למצבה של
עליסה, טרם חדירתה לארץ המראה.
.
המודל הסטנדרטי של מבנה החומר, מחלק את החלקיקים היסודיים
לשלוש קבוצות עיקריות: לפטונים, קוורקים ובוזונים. בקבוצת הלפטונים
חברים ששה חלקיקים: האלקטרון ושתי הגרסאות המאסיביות יותר שלו,
המיואון וחלקיק הטאו, שכל אחד מהם קשור ב"קשר משפחתי" לחלקיק
ניטרינו שונה. גם בקבוצת הקוורקים חברים ששה חלקיקים: הקוורקים
"גבוה", "נמוך", "חן", "מוזר", "עליון", ו"תחתון". כל חלקיקי החומר
הידועים (שאינם לפטונים) מורכבים משילובים שונים של ששת הקוורקים
האלה.
.
בין חלקיקי החומר, נעים חלקיקים "נושאי כוח". למעשה, החלקיקים
האלה "משוחלפים" בין חלקיקי החומר. השיחלוף הוא מעין התמסרות בכדור.
לדוגמה, כאשר שני חלקיקים "מתמסרים" ביניהם ב"כדור" שהוא פוטון,
משמעות הדבר היא שביניהם פועל הכוח האלקטרו-מגנטי (שהפוטון הוא
החלקיק הנושא אותו). מכיוון שבין חלקיקי החומר פועלים ארבעה כוחות,
מניחים הפיסיקאים שקיימים ארבעה סוגים, או משפחות, של חלקיקים נושאי
כוח. חלקיקים אלה קרויים "בוזונים".
.
נושאי הכוח
.
כך, לדוגמה, הפוטון הוא הבוזון הנושא את הכוח האלקטרו-מגנטי.
הגלואונים ("דבקנים"), שמונה במספר, הם הבוזונים הנושאים את הכוח
הגרעיני החזק. חלקיקי ה-W פלוס, W מינוס ו-Z אפס, הם הבוזונים
הנושאים את הכוח החלש, ולפי אותו מודל, הגרביטונים (שטרם נצפו
בניסוי), אמורים לשאת את הכוח הרביעי, הכבידה.
.
התמונה נעשית מורכבת עוד יותר, כאשר מתברר שהטבע מציג מול כל
"גן החיות" הגדול הזה, מראה, שכמו בארץ המראה של עליסה, מציגה
הדמייה מדויקת של עולם החומר – רק הפוכה לה. ההיפוך במובן זה
מתייחס למטען החשמלי (ולמטענים אחרים) של החלקיקים השונים. כלומר,
אם לאלקטרון ה"רגיל" של החומר יש מטען חשמלי שלילי, הרי שלבן דמותו,
חלקיק ה"אנטי-חומר" מ"ארץ המראה", יש מטען חשמלי חיובי. חלקיק זה,
הקרוי פוזיטרון, שווה למעשה בכל לאלקטרון, פרט לניגוד המטענים
החשמליים (והאחרים) שלהם.
.
כמו הפוזיטרון, שהוא "אנטי-אלקטרון" (או "אלקטרון מראה"),
מניחים החוקרים שלכל חלקיק הקיים בטבע, יש כפיל בדמותו של חלקיק
אנטי-חומר השווה לו בכל, פרט למטעניהם החשמליים (והאחרים)
ההפוכים. כך למשל קיימים "אנטי-פרוטונים" השווים בכל לפרוטונים
רגילים, אלא שהם נושאים מטען חשמלי שלילי, וכן "אנטי-קוורקים",
"אנטי-ניטרינו", ועוד. (חלקיקים מסוימים מתפקדים לפעמים כמעין אנטי
חלקיקים של עצמם, תופעה המזכירה פיצול אישיות.
.
דבר והיפוכו
.
איש אינו יודע כיצד ומדוע נקבעו המטענים החשמליים של החלקיקים
בעת היווצרות היקום. ייתכן שמדובר בתופעה אקראית, שיכלה להתרחש כך
במקום אחד, ואחרת באזור שונה של היקום. כלומר, ייתכן שאי שם במרחבי
היקום, סובבות על ציריהן גלקסיות המורכבות מ"אנטי-חומר", שבהן נוצרו
כוכבי "אנטי-חומר", כוכבי-לכת של "אנטי-חומר", ואולי אפילו חיים של
"אנטי חומר".
.
כאן אפשר לחזור לשאלתה של עליסה: "האם טוב טעמו של חלב-מראה?".
בהשלכה לעולם החומר הפיסיקלי, משמעות השאלה הזאת היא, האם מערכות
הבנויות מ"אנטי-חומר" באמת פועלות באותה דרך כמו מערכות הדומות להן
בכל פרט לעובדה שהן עשויות חומר רגיל? האם אפשר להבדיל ביניהן על-פי
תכונותיהן הפיסיקליות הקובעות את מערך היחסים שבין חלקיהן הפנימיים
(ללא בדיקה חיצונית?). הבעיה היא שקשה מאוד לענות על השאלה
הזאת, מכיוון שכאשר חלקיק של "אנטי חומר" פוגש את "בן דמותו", חלקיק
החומר, הם מחסלים זה את זה, מתאיינים והופכים לאנרגיה. למשל,
כאשר אלקטרון מתנגש בפוזיטרון, שניהם נעלמים ובמקומם מופיעים
פוטונים אנרגטיים
.
מכאן אפשר להבין, שבמקום שבו שולט החומר, אין קיום ל"אויבו",
האנטי חומר. כוכב של אנטי חומר לא יוכל להתקיים זמן רב בגלקסיה של
חומר, ובאותה מידה, חלקיקי אנטי חומר לא יתקיימו זמן רב בתוך
"קופסה "או כלי אחר, העשויים מחלקיקי חומר. מצד שני, הפיסיקאים
משתוקקים מאוד לדעת את טעמו של חלב-המראה.
.
מפגש ראשון עם האלתר-אגו
.
לפיכך גאתה ההתרגשות כאשר בשנות ה-50 נתגלו האנטי פרוטונים
הראשונים (בעלי המטען החשמלי השלילי). התגלית התבצעה במאיץ החלקיקים
"בווטרון" של אוניברסיטת ברקלי, קליפורניה, ארה"ב, כאשר החוקרים
אמיליו סגרה, אוון צ'מברליין, ועמיתיהם, שיגרו קרן של פרוטונים לעבר
מטרת חומר נייחת. ההתנגשות האנרגטית פירקה את הפרוטונים והפיקה מהם
שלל חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה וזמן קיום קצר ביותר, ובין אלה נצפו
לראשונה גם אנטי פרוטונים. ההצלחות הראשונות האלה זיכו את המגלים
בפרס נובל לפיסיקה. לימים נתבעו השניים למשפט על-ידי הפיסיקאי
אורסטה פיצ'יוני שטען כי מתכונת הניסוי הוצעה להם על ידו, אך הם
נמנעו מלרשום את שמו בדו"ח המחקר שלהם. אוון וצ'מברליין לא התכחשו
לחלקו של פיצ'יוני בניסוי, אך טענו שבאותם ימים קבעו נוהלי העבודה
בברקלי, שרק חוקרים המועסקים על-ידי האוניברסיטה יכולים להופיע
כמחברי דו"חות מחקר המתארים מחקרים שבוצעו במתקני ברקלי (הניסוי
בוצע לאחר שפיצ'יוני עזב את ברקלי. בית המשפט קיבל את טענותיהם
וזיכה אותם, ואוון תיאר בהרחבה את תרומתו של פיצ'יוני למחקר בנאום
שנשא לרגל קבלת פרס נובל.
.
מכל מקום, בשל חמקמקותם של חלקיקי האנטי חומר, ובשל נטייתם
לפגוש את בני דמותם, חלקיקי החומר ו"להתאיין" יחד עמם, התקשו
החוקרים לאסוף כמויות גדולות של החלקיקים האלה. תמונת מצב זו החלה
להשתנות, כאשר קבוצה גדולה של פיסיקאים, בראשותו של קרלו רובייה,
אז מנהל תשלובת מאיצי החלקיקים של המעבדה האירופית לחקר פיסיקת
החלקיקים (סר"ן), החלה להפעיל את אחד מהמאיצים למטרה זו
(מדובר במאיץ המעגלי ה"קטן "שקוטרו כששה קילומטרים, ולא במאיץ המעגלי
הגדול, שקוטרו כ-27 קילומטרים, שעדיין לא היה פעיל באותו זמן.
.
רובייה ועמיתיו היו זקוקים לאנטי פרוטונים כדי ליצור התנגשויות
רבות עוצמה ומבוקרות בינם לבין הפרוטונים. בהתנגשויות אלה קיוו,
ובסופו של דבר הצליחו, לגלות ולחקור את הבוזונים (החלקיקים נושאי הכוח)
הנושאים את הכוח החלש: W פלוס, W מינוס ו-Z אפס. כדי ליצור קרן של אנטי
פרוטונים, היה עליהם לאסוף כמות מספקת של החלקיקים האלה, ולאחר
מכן, לשמור אותם ולהקנות להם אנרגיה שווה (שאם לא כן הם ינועו
בנפרד ולא יתמקדו בקרן אחת).
.
מלכודת לאח אובד
.
כדי לעשות זאת, נבנתה מערכת שהורכבה ממעין "קופסאות", או
"צינורות", שבהם נעו האנטי פרוטונים. בתוך הצינורות המתינו להם
אלקטרונים, שגם הם בעלי מטען חשמלי שלילי. הפרוטונים המתקרבים או
מתנגשים באלקטרונים, מאטים את מהירותם והאנרגיה שלהם פוחתת. פחיתת
האנרגיה מתבטאת, בין היתר, בירידת טמפרטורה, כך שאפשר לומר שרובייה
ועמיתיו בנו מערכת לקירור אנטי פרוטונים. אבל, פרוטונים שונים נעים
במערכת הזאת במהירויות שונות (המתבטאות בטמפרטורות שונות). רובייה
ועמיתו, הפיסיקאי סימון ון-דר-מר, מצאו דרך להפריד את האנטי
פרוטונים לפי מהירויותיהם, ולאחר מכן, באמצעות עדשה מגנטית, האטו את
המהירים והאיצו את האטיים, עד ש"כינסו את העדר" באלומה אחת מרוכזת.
פיתוח השיטה הזאת, זיכה אותם בפרס נובל בפיסיקה.
.
זמן מה לאחר מכן, השיג הפיסיקאי ג'רלד גבריאלס, גם הוא מהמעבדה
האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים (סר"ן), התקדמות נוספת בתחום זה. הוא
בנה "מלכודת" מיוחדת, הלוכדת ושומרת את האנטי פרוטונים שהאנרגיה שלהם
פחתה הרבה מעבר לאנרגיה האופיינית לחומר רגיל. למעשה, מדובר בחלקיקי אנטי
חומר שקוררו עד למעלת קלווין אחת בלבד מעל לטמפרטורת האפס המוחלט
(השווה למינוס 273 מעלות צלסיוס). המלכודת הזאת מבוססת על "ריצה"
חוזרת של חלקיקי האנטי חומר, דרך הצינורות או הקופסאות המכילות
אלקטרונים.
.
כדי למנוע מהאנטי פרוטונים להתנגש בדפנות הכלי העשויות חומר
רגיל (דבר שעלול לגרום ל"התאיינותם"), הפעילו החוקרים שדות מגנטיים
חזקים משני עברי ה"מלכודת". השדות האלה גרמו לחלקיקים להתנודד בין
שני קצוות ה"מלכודת", ובכל פעם להתנגש באלקטרונים המצויים בה,
ולהתקרר ולאבד עוד אנרגיה, אך לא איפשרו להם לגשת ממש עד לגבולות
החומר הרגיל. סלילים חשמליים (הבנויים ממוליכי-על) הכלולים בדפנות
ה"מלכודת", מעניקים לחלקיקים תנועת סיחרור המאפשרת לשמור ו"לאחסן"
אותם ב"קופסה", עד לשעת הצורך.
.
איפה הייתם ומה עשיתם?
.
יכולת השימור הזאת מציעה, לכאורה, אפשרות להגשים את חלומם של
פיסיקאים רבים, זה דורות: יצירת אטום שלם של אנטי חומר (דוגמת
האטומים שאולי מרכיבים את "חלב המראה" של עליסה). לכאורה, כל מה
שדרוש לשם כך הוא ליצור מפגש מתוכנן היטב בין האנטי פרוטונים
לפוזיטרונים (שהם אנטי אלקטרונים). כאמור, שני סוגי החלקיקים האלה
ניתנים להפקה – בנפרד – באמצעים ידועים. אבל, אנטי-אטום כזה, גם אם
יצירתו אפשרית, לא יוכל להתקיים זמן רב. כאמור, כדי להרחיק את
הפרוטונים, שהם חלקיקים נושאי מטען חשמלי מהחומר הרגיל, משתמשים
החוקרים בשדות מגנטיים חזקים. אבל, אטומים (של חומר או של אנטי
חומר), הם גופים ניטרליים מבחינה חשמלית (שכן הם מורכבים מחלקיקים
בעלי מטענים חשמליים חיוביים ושליליים כאחד). פירוש הדבר הוא, שהם
לא "יתרשמו" במיוחד מהשדות המגנטיים, ובכל מקרה, אלה לא ימנעו מהם
את הגישה והמגע עם דפנות הכלי (שכבר לא יהיה "מלכודת"). וכאמור, מגע
כזה בין חומר לאנטי חומר, גורם להתאיינות שניהם ולהמרתם לאנרגיה.
.
כך, על אף ההתקדמות שהשיג גבריאלס, חלום "חלב המראה" נאלץ
להמתין עד לימינו אלה, שבהם הצליחו מדעני CERN , באמצעות מאיץ
החלקיקים החדש שהחל לפעול לפני כשנתיים, לבנות מלכודת מתוחכמת
הפועלת בטמפרטורה של חצי מעלה בלבד מעל לטמפרטורת האפס המוחלט.
במלכודת זו הצליחו המדענים לקיים אטומי אנטי חומר במשך 16 דקות
תמימות. אכן, זמן איכות למחקר ולבירור שאלות רבות, שמן הראוי שיישאלו
בין שני תאומים שהופרדו בלידתם. השאלה הראשונה שהמדענים מנסים לברר
עם חלקיקי האנטי חומר היא: לאון נעלמתם? איפה הייתם ומה עשיתם
במשך כל השנים האלה?
.
מה התשובות? ובכן, איך אומרים, עובדים על זה.
.