האנטי-חומר יוצא לדרכים

בספר "מלאכים ושדים" של דן בראון, ארגון טרור גונב אנטי-חומר שיוצר במאיץ חלקיקים ומאיים להשתמש בו כפצצה. האם התרחשות כזאת יכולה בכלל להתרחש? בימים אלה מתחילה ב-CERN, הארגון האירופי למחקר גרעיני המפעיל את מאיץ החלקיקים האירופי הענקי סמוך לז'נבה, העבודה על ניסוי שמשתמש באנטי-חומר ככלי למחקר של תופעות פיזיקליות, ולא רק כיעד למחקר. במסגרת זאת יועבר אנטי-חומר במשאית למעבדה אחרת.

לכל חלקיק בטבע יש אנטי-חלקיק הזהה לו במסתו אך שונה במטענו ובתכונות נוספות. קיומם של אנטי-חלקיקים אושר עד כה בניסויים רבים. בלט בהם במיוחד הפוזיטרון, האנטי-חלקיק של האלקטרון, שדומה לו בתכונותיו ובמסתו אך מטענו החשמלי חיובי.

פוזיטרונים נוצרים בטבע במהלך התפרקויות רדיואקטיביות מסוימות, וקל לייצר אותם במאיצי חלקיקים. לעומתם זאת, ייצור של אנטי-פרוטונים (פרוטונים בעלי מטען שלילי) קשה הרבה יותר, ועד כה הצליחו לייצר רק כמויות קטנות מאוד שלהם.

כשחלקיקים פוגשים באנטי-חלקיקים שלהם הם מגיבים בתהליך הקרוי אִיוּן (ביטול הדדי), שבמהלכו שניהם הופכים לחלקיקים אחרים. כשמדובר בפרוטונים או נייטרונים, התוצרים הסופיים יהיו אלקטרונים, פוזיטרונים ופוטונים – חלקיקי אור שייפלטו בתור קרינת גאמה רדיואקטיבית וחזקה. בתהליך ישתחררו גם לא מעט חלקיקי נייטרינו – חלקיקים ניטרליים וקשים מאוד לגילוי.

מגבלות ניידוּת חמורות

בשל התהליך הזה, חשוב למנוע מאנטי-פרוטונים לבוא בכל מגע שהוא עם חומר רגיל, כלומר עם האטומים המרכיבים את עולמנו. לפיכך, צריך למצוא דרך לאחסן אותם ברִיק ולמנוע מהם מגע עם אוויר או עם דפנות הכלי. מכיוון שלאנטי-פרוטונים יש מטען חשמלי, אפשר לאחסן אותם במלכודות שבהן שדות חשמליים ומגנטיים יגרמו להם לנוע במסלול מעגלי בתוך מכל אטום וריק לחלוטין, בלי לגעת בדפנות הכלי.

המקור העיקרי של אנטי-פרוטונים הוא מאיץ חלקיקים ב-CERN, שהפך בשל כך למרכז המחקר העולמי באנטי-חומר. האנטי-פרוטונים שנוצרים מועברים מיד למתקני ניסוי צמודים למאיץ החלקיקים, דבר שמצמצם את חקר האנטי-פרוטונים לסביבת המאיץ בלבד.

בעבר אחסון האנטי-פרוטונים הוגבל לזמנים קצרים מאוד. ב-2011 נקבע שיא של כרבע שעה, שיפור משמעותי לעומת השיא הקודם שעמד על כעשירית השנייה. כעת, מדענים במרכז המחקר טוענים שטכנולוגיית האחסון התפתחה עד כדי כך שבתוך שנים ספורות נוכל לשנע את האנטי-חלקיקים אל מחוץ למתחם CERN.

בימים אלו מתכננים ניסוי בשם "פומה" שיתבצע במרחק של כמה מאות מטרים מהמאיץ המפורסם. במהלך הניסוי יישמרו האנטי-פרוטונים שייוצרו למשך כמה שבועות. הכוונה היא לפתח בתוך כמה שנים טכנולוגיה שתאפשר ייצור מלכודת ניידת, שהאנטי-פרוטונים שנוצרו במאיץ יאוחסנו בה וישונעו למעבדה אחרת.

כל מלכודת תכיל כמיליארד אנטי-פרוטונים, במסה כוללת של כאלפית טריליונית הגרם. הכמות הזו גדולה פי מאה מהכמות הגדולה ביותר שהשתמשו בה עד כה. לצורך הניסוי המלכודת תצטרך להחזיק את האנטי-פרוטונים בהצלחה למשך כמה שבועות, דבר שנעשה עד כה רק עבור כמה עשרות אנטי-פרוטונים בלבד.

הטמפרטורה במלכודות תהיה 4 מעלות מעל האפס המוחלט (269 מעלות צלזיוס מתחת לאפס), והרִיק בתוכה יהיה דומה לחלל הבין-גלקטי. הדרישות הללו מציבות אתגר משמעותי עבור המדענים שמתכננים את המלכודות, אך הם מאמינים שיצליחו בכך.

אנטי-חומר יכול לסייע במחקרים רבים, אבל עד כה אי אפשר היה לשנע אותו. מחקר אנטי-פרוטונים | צילום: CERN
 

ניסוי פומה

חשיבות המלכודות טמונה בכך ששינוע האנטי-פרוטונים יאפשר לערוך ניסויים שעד כה לא היו אפשריים, כמו ניסוי פומה שאמור להיעשות על אטומי ליתיום רדיואקטיבי. מספר הפרוטונים בגרעיני האטומים, ובמיוחד אטומים קטנים, שווה למספר הנֵיטרונים או קטן ממנו מעט, והם ארוזים בגרעין ככדור קטן ודחוס. עם זאת, יש כמה יוצאי דופן, ובהם האיזוטופ הרדיואקטיבי ליתיום-11 – אטום שמכיל שמונה ניטרונים לעומת שלושה פרוטונים בלבד, ולכן אינו יציב ומתפרק  במהירות - תוך כמה מאיות שנייה (זמן מחצית החיים של האיזוטופ הוא פחות מ-0.009 שניות).

לפי התיאוריה הגרעין של ליתיום-11 מורכב למעשה מגלעין של שישה נֵיטרונים ושלושה פרוטונים, ושני הניטרונים הנוספים חגים מחוץ לו, כמעין "הילה" חיצונית. השערה נוספת היא שפיזור הנייטרונים והפרוטונים בגלעין איננו אחיד, כך שבדופן שלו יש יותר ניטרונים מפרוטונים.

לאימות ההשערות הללו צפויות להיות השלכות חשובות על הפיזיקה הגרעינית והאסטרופיזיקה. כדי לבחון אותן מתכוונים החוקרים להיעזר באנטי-חומר: המטרה היא לגרום לאנטי-פרוטונים להתנגש באטום איזוטופ הליתיום בתוך גלאי. תגובת האיון בין האנטי-פרוטונים לניטרונים ולפרוטונים בגרעין הליתיום תביא לפליטת חלקיקים רבים, והגלאי יזהה אותם ואת תדירות ההתנגשויות שלהם. כך אפשר יהיה לקבוע אם התיאוריה חוזה נכון את מבנה הגרעין של הליתיום.

האנטי-פרוטונים מתאימים במיוחד למשימה מכיוון שתהליך האיוּן המתרחש בהתנגשות שלהם עם גרעין הליתיום מהיר בהרבה מהפירוק הרדיואקטיבי של הליתיום. בנוסף, אם אכן הטכנולוגיה תתפתח כראוי, האנטי-פרוטונים יהיו יציבים וניידים, בניגוד לגרעיני הליתיום שמתפרקים תוך כמה מאיות השנייה. המלכודות החדשות שייוצרו יאפשרו לבצע ניסוי שלא היה אפשרי עד כה מכיוון שאת האיזוטופים של הליתיום הרדיואקטיבי אפשר לייצר רק במתקן מרוחק מהמאיץ.

עצמים מסתוריים שאנו עדיין לא מבינים את התהליכים הפיזיקליים המתרחשים בהם. כוכב ניטרונים | הדמיה: Science Photo Library

ללמוד מהאנטי-חומר

המיוחד בניסוי המתוכנן הוא שהוא לא נועד לחקור את תכונות האנטי-חומר עצמו. זה הניסוי הראשון שבו ישתמשו באנטי-חומר לבחינת הגרעין של אטום אחר. הדבר עשוי להיות הצעד הראשון בחקר גרעיני אטומים בעזרת אנטי-חומר, ולהתגלות ככלי שימושי מאוד בפיזיקה גרעינית, שישפוך אור על אינטראקציות בתוך הגרעין ועל מבנה גרעיני האטומים. העבודה על הניסוי החלה בינואר 2018, והניסוי עצמו צפוי להתקיים ב-2022.

ממצאי הניסוי עשויים ללמד אותנו גם על הכוחות הפועלים בין נֵיטרונים לפרוטונים בגרעין האטום, ולכך חשיבות רבה באסטרופיזיקה, ובפרט בחקר כוכבי נֵיטרונים. כוכבים כאלה כבדים משמעותית מהשמש שלנו, ואחרי מותם בסופרנובה ליבתם הופכת לכוכב קטן מאוד וצפוף: קוטרו הוא כמה עשרות קילומטרים, מסתו היא כשל כמה שמשות כמו זו שלנו, וצפיפותו דומה לזו של גרעיני האטומים עצמם. הכוכבים האלה עשויים בעיקר מניטרונים (אך גם מפרוטונים ואלקטרונים) הדבוקים יחדיו, כמעין גרעין אטום ענקי שמוחזק באמצעות כוחות כבידה.

כוכבי הניטרונים הם עצמים מסתוריים שאיננו מבינים לחלוטין, ולא מעט מתכונותיהם, הנובעות מהאינטראקציות הגרעיניות בתוכם, אינן ברורות. התקווה היא שהניסוי יאפשר לנו להבין אותם טוב יותר. כמו כן, הצלחה תכשיר את השימוש באנטי-חומר ככלי מחקרי שניתן להשתמש בו גם במעבדות מחוץ לתחומי המאיץ.

ומה בנוגע לעלילת "מלאכים ושדים"? הסיכוי שתתממש אי פעם נראה רחוק מאוד. אמנם מלכודת ניידת שמסוגלת לשאת אנטי-חומר בכמויות גדולות יחסית אכן מתקרבת למימוש, אך עדיין מדובר בכמויות זעומות. אף על פי שאיוּן של חומר ואנטי-חומר משחרר יותר אנרגיה ליחידת משקל מכל תהליך כימי או גרעיני אחר הידוע לנו, בכמויות כאלה של אנטי-פרוטונים האנרגיה הכוללת שתשתחרר שקולה לשריפה של טיפת בנזין. כדי ליצור פצצת אנטי-חומר אמיתית צריך כמה וכמה גרמים של אנטי-חומר, כלומר כמות גבוהה פי מאה טריליון (10¹⁴) מזו שבניסוי. נכון להיום היכולת לייצר כמות כזאת נשמעת דמיונית לחלוטין.