מנין מקבלים הפרוטונים והניטרונים את המסה והספין שלהם? למרבה הפלא, איננו יודעים. מתקן ניסוי חדש מבטיח להציץ לתוככי החלקיקים הללו בחיפוש אחר תשובות

בקיצור

  • מנין מקבלים הפרוטונים והניטרונים את המסה והספין שלהם? למרבה הפלא, המדענים לא באמת יודעים.
  • בדרך כלשהי מרכיבי החלקיקים האלו – קווארקים וגלואונים – משתלבים אלו באלו ביחסי גומלין סבוכים שמהם נובעות התכונות של פרוטונים וניטרונים.
  • כדי להבין איך זה קורה, הפיזיקאים רוצים לבנות מאיץ אלקטרונים-יונים שיטיח אלקטרונים בפרוטונים ובגרעיני אטומים, במטרה להעניק לנו תמונות תלת-ממדיות של תוככי הגרעין.

אנו מעריכים כי ביקום הנראה יש כ-1053 ק"ג של חומר רגיל, רובו בדמות כ-1080 פרוטונים וניטרונים, שמרכיבים – יחד עם אלקטרונים – את האטומים. אולם מנין מגיעה המסה של הפרוטונים והניטרונים?

מתברר שהתשובה אינה פשוטה. פרוטונים וניטרונים עשויים מחלקיקים המכונים קווארקים ומחלקיקים קושרים המכונים גלואונים. לגלואונים אין מסה, וסכום המסות של הקווארקים שבתוך הפרוטונים והניטרונים (הקרויים יחד "נוקלאונים") כולל כשני אחוזים בלבד מהמסה הכוללת של הנוקלאונים. אז מנין מגיעה שארית המסה?

זו אינה התעלומה היחידה האופפת את רכיבי האטום היסודיים האלו. הספין של הנוקלאונים מציב בפנינו חידה דומה – איננו יכולים להסביר את קיומו בהתבסס על הספינים של הקווארקים שבתוכם. המדענים סבורים כיום שהספין, המסה ותכונות אחרות של נוקלאונים נובעות מיחסי הגומלין הסבוכים בין הקווארקים והגלואונים שבתוכם. אולם לא ידוע איך בדיוק זה קורה. התיאוריה אינה יכולה לספק הסברים מעבר לכך, מכיוון שיחסי הגומלין בין קווארקים וגלואונים מוכתבים על ידי תיאוריה הקרויה כרומודינמיקה קוונטית (QCD), שהחישובים שלה קשים להחריד.

כדי להתקדם אנחנו זקוקים לנתוני ניסוי. כאן עולה על הבמה מאיץ האלקטרונים-יונים (Electron-Ion Collider, או EIC). בשונה ממרסקי אטומים אחרים, כמו מאיץ ההדרונים הגדול של מעבדת CERN ליד ז'נווה או מאיץ היונים הכבדים היחסותיים (RHIC) בארצות הברית, שמטיחים זה בזה חלקיקים מורכבים כמו פרוטונים ויונים, ה-EIC עתיד להטיח פרוטונים וניטרונים באלקטרונים. לאלקטרונים אין מבנה פנימי והם הפכו למעין מיקרוסקופ שיכול להציץ לתוך החלקיקים המורכבים.

ה-EIC ניצב קרוב לראש סדר העדיפויות של קהילת מדעני הגרעין בארצות הברית, וכנראה הוא אכן יוקם באחת משתי מעבדות אמריקאיות לפיזיקה – המעבדה הלאומית ברוקהייבן שבלונג איילנד או מתקן המאיץ הלאומי ע"ש תומס ג'פרסון (מעבדת ג'פרסון) בניופורט ניוז שבווירג'יניה. אם תאושר בניית המאיץ, הוא יתחיל לאסוף נתונים בסביבות שנת 2030.

המכונה הזאת תוכל לראות איך הספינים והמסות הנבדלים של הקווארקים והגלואונים, בצירוף האנרגיה של תנועתם הקיבוצית, מצטרפים אלה לאלה ויוצרים את הספין והמסה של הפרוטונים והניטרונים. היא אמורה לענות גם על שאלות אחרות, למשל האם הקווארקים והגלואונים מתאגדים לגוש או מפוזרים בתוך הנוקלאונים, באיזו מהירות הם נעים ואיזה תפקיד ממלאים יחסי הגומלין האלה בקשירת הנוקלאונים זה לזה בתוך הגרעין. המדידות שייערכו ב-EIC יספקו לנו אוצר בלום של מידע חדש בנוגע לאופן שבו מרכיבי יסוד של חומר מנהלים יחסי גומלין זה עם זה ויוצרים כך את היקום הנראה. חמישים שנה לאחר גילוי הקווארק, אנחנו סוף סוף עומדים לפענח את מסתוריו.

תופעות מתהוות

מדענים מבינים לא רע איך עצמים עשויים מאטומים וכיצד מאפייניהם נובעים מהמאפיינים של האטומים שבתוכם. אכן, חלק משמעותי מחיינו המודרניים תלוי בידע שלנו על אטומים, אלקטרונים ואלקטרומגנטיות – הידע הזה הוא מה שמניע את המכוניות שלנו ומפעיל את הטלפונים החכמים שלנו. מדוע אפוא אנחנו לא מבינים איך קווארקים וגלואונים יוצרים נוקלאונים?

ראשית, נוקלאונים קטנים לפחות פי 10,000 מאטום, כך שאין דרך פשוטה לחקור אותם. יתרה מזאת, מאפייני הנוקלאונים נובעים מההתנהגות הקיבוצית של קווארקים וגלואונים. למעשה, הם "תופעה מתהווה", כלומר תוצר פעולתם של הרבה שחקנים מורכבים שיחסי הגומלין ביניהם סבוכים מכדי שנוכל להבין אותן במלואן נכון לעכשיו.

מגנטי דיפול כחולים עוזרים לכוון את אלומות האלקטרונים ב-CEBAF | צילום: Floto+Warner

התיאוריה השולטת ביחסי הגומלין הללו, שנקראת כרומודינמיקה קוונטית, פותחה בשלהי שנות ה-60 ובתחילת שנות ה-70. היא חלק מהתיאוריה הרחבה יותר של פיזיקת החלקיקים הקרויה "המודל הסטנדרטי", שמתאר את הכוחות הידועים של היקום (פרט לכבידה). ממש כפי שהכוח האלקטרומגנטי שבין חלקיקים טעונים חשמלית נישא בידי פוטונים, או חלקיקי אור, כך מלמדת אותנו התיאוריה שהכוח החזק – זה ששומר על גרעין האטום שלם – נישא בידי גלואונים. ה"מטען" הכרוך בכוח החזק קרוי "צבע" (ומכאן השם "כרומודינמיקה", שכן "כרומה" ביוונית היא "צבע").

קווארקים נושאים מטען צבע ומנהלים יחסי גומלין זה עם זה על ידי חילופי גלואונים. אולם בשונה מאלקטרומגנטיות, שבה לפוטונים עצמם אין מטען חשמלי, הגלואונים כן נושאים צבע. לפיכך, גלואונים מנהלים יחסי גומלין עם גלואונים אחרים על ידי חילופי גלואונים נוספים. להבדל הקל הזה יש השלכות עמוקות. לולאות המשוב של יחסי הגומלין הללו הן הסיבה לכך שלעיתים קרובות מסובך מדי לחשב את הכרומודינמיקה הקוונטית.

הכרומודינמיקה הקוונטית נבדלת מתיאוריות מוכרות יותר גם בכך שהכוח החזק נחלש ככל שהקווארקים מתקרבים זה לזה. (באלקטרומגנטיות המצב הפוך לגמרי והכוח נחלש ככל שהחלקיקים הטעונים מתרחקים זה מזה). במרחקים קטנים מספיק בתוך הגרעין, הקווארקים מרגישים כל כך מעט כוח עד שהם מתנהגים כאילו הם חופשיים. בזכות גילוי התוצאה המוזרה הזו של ה-QCD קיבלו הפיזיקאים דיוויד גרוס (Gross), ה' דיוויד פוליצר (Politzer) ופרנק וילצ'ק (Wilczek) את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2004.

כשקווארקים מתרחקים זה מזה, הכוח ביניהם גדל במהירות ובסופו של דבר נהיה חזק מספיק "לתחום" את הקווארקים – ולכן לא תמצאו לעולם קווארק או גלואון מחוץ לפרוטון או לניטרון. המדענים יכולים לחשב אינטראקציות של כרומודינמיקה קוונטית כל עוד הקווארקים קרובים זה לזה ומנהלים יחסי גומלין חלשים זה עם זה. אולם כאשר הם מתרחקים זה מזה – במרחקים קרובים לרדיוס הפרוטון – הכוח נהיה חזק מדי, והתיאוריה נעשית מסובכת מדי ולא שימושית.

כדי להבין טוב יותר את הממלכה הקוונטית של הכוח החזק, אנחנו זקוקים לעוד מידע. השליטה שלנו בממלכה האטומית, למשל, הגיעה לא רק מתוך ההבנה שצברנו על האטומים ויחסי הגומלין ביניהם – היא הגיעה מתוך יכולתנו לתפוס את התופעות המתהוות, שנארגות מעל אבני הבניין היסודיות הללו. לא יכולנו לבנות ביולוגיה מולקולרית מהידע שלנו על יסודותיה – אטומים ואלקטרומגנטיות. רגע ה"אאוריקה" הגיע כשחוקרים גילו את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. כדי להצליח להתקדם בעולם הקווארקים והגלואונים עלינו להציץ לתוככי הגרעין.

"לראות" אטומים

בראשית המאה ה-20 גילו פיזיקאים איך "לראות" אטומים באמצעות תהליך הקרוי עקיפה של קרני רנטגן. כשהקרינו אלומת קרני רנטגן על דגימה ובחנו את דפוס ההתאבכות המתקבל כשהקרניים חולפות דרך החומר, הם הצליחו לראות את המבנה האטומי של הגביש. הטכנולוגיה הזו פועלת מכיוון שאורך הגל של קרני הרנטגן דומה לגודל האטום, וכך אנו יכולים לחקור את המרחקים בין האטומים, שסדר הגודל שלהם הוא ננומטרים בודדים (מיליארדיות המטר). באותו אופן פיזיקאים "ראו" לראשונה קווארקים לפני 50 שנה בניסוי שבו התנגשו אלקטרונים ופרוטונים, בתהליך המכונה פיזור עמוק לא אלסטי (Deep Inelastic Scattering, או DIS).

בשיטה הזאת, אלקטרון ניתז מפרוטון (או מניטרון, או מגרעין) ומחליף איתו פוטון וירטואלי. פוטון וירטואלי הוא לא פוטון אמיתי – הוא נוצר משום מקום ונעלם בחזרה במהירות, בהשפעת מכניקת הקוונטים השולטת ביחסי הגומלין בין חלקיקים. מדידה קפדנית של האנרגיה של האלקטרון והזווית שלו כשהוא נרתע לאחור מספקת לנו מידע על העצם שבו הוא פגע.

מאיץ היונים הכבדים היחסותיים (RHIC) | צילום: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

אורך הגל של הפוטון הווירטואלי בניסויי DIS הוא בסדר גודל פמטומטרי (10-15 מטרים) – בדומה לקוטר הפרוטון. ככל שאנרגיית ההתנגשות גבוהה יותר, כך אורך הגל של הפוטון הווירטואלי קצר יותר, והגשושית שלנו מדויקת יותר וממוקמת טוב יותר. אם אורך הגל קטן דיו, האלקטרון יינתז למעשה מאחד הקווארקים שבתוך הפרוטון (ולא מהפרוטון השלם), ויספק לנו הצצה לתוך המבנה הפנימי של החלקיק.

ניסוי ה-DIS הראשון היה פרויקט SLAC-MIT שנערך במתקן שנקרא אז מרכז המאיץ הלינארי של סטנפורד (SLAC). בשנת 1968 העניקה לנו השיטה הזאת את הראיה הראשונה לקיומם של קווארקים – תגלית שזיכתה את מובילי הניסוי בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1990. בניסויים דומים התגלה שקווארקים בתוך פרוטונים וניטרונים חופשיים מתנהגים בצורה שונה מאד מקווארקים בתוך גרעינים. יתרה מזאת, בניסויים האלה התגלה שהספין של הפרוטון והניטרון אינו צומח מתוך הספינים של הקווארקים המרכיבים אותם, בניגוד למה שהמדענים ציפו לראות. הממצא הזה התגלה לראשונה בפרוטונים וכונה בהתחלה "משבר ספין הפרוטון".

מאיץ ה-DIS הראשון, שבו הואצו גם אלקטרונים וגם פרוטונים לפני שהוטחו אלה באלה, היה מאיץ ההדרונים-אלקטרונים הטבעתי (Hadron-Electron Ring Accelerator, או HERA), בסינכרוטרון האלקטרונים הגרמני (DESY) במרכז המחקר של המבורג, שפעל בין שנת 1992 ל-2007. ניסויי HERA הראו שמה שחשבנו שלא היה אלא תצורה פשוטה של שלושה קווארקים בתוך כל פרוטון וניטרון, יכול למעשה להפוך למרק חלקיקים שבו המוני קווארקים וגלואונים צצים ונעלמים ללא הרף. HERA קידם מאוד את יכולתנו להבין את מבנה הנוקלאונים, אולם לא היה יכול לפתור את משבר הספין, ולא היה מצויד באלומות החלקיקים הדרושות לחקר התנהגות של קווארקים וגלואונים בתוך הגרעין.

אחד הגורמים שמסבכים את כל התצפיות בקנה המידה הזה הוא המוזרות של מכניקת הקוונטים. החוקים האלה מתארים חלקיקים תת-אטומיים בתור עננות של הסתברות: הם אינם קיימים במצבים מסוימים ובמקומות וזמנים מסוימים. במקום זאת עלינו לחשוב על קווארקים כאילו הם קיימים באינסוף תצורות קוונטיות בעת ובעונה אחת.

יתרה מזאת, עלינו להביא בחשבון את תופעת השזירה, גם היא מבית היוצר של מכניקת הקוונטים, שבה שני חלקיקים יכולים להיקשר זה לזה כך שגורלותיהם שזורים זה בזה אפילו אחרי שהם נפרדים. השזירה עלולה להציב בעיה יסודית בפני מי שמנסה לצפות בקנה המידה הגרעיני, מכיוון שהקווארקים והגלואונים שאנחנו מעוניינים לצפות בהם עלולים להישזר עם כל גשושית שנשתמש בה כדי להתבונן בהם – במקרה של DIS, הגשושית היא הפוטון הווירטואלי. נראה בלתי אפשרי להגדיר למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו מדברים על מבנה גרעיני, אם מה שאנחנו מגלים תלוי באופן שבו אנחנו מודדים אותו.

למרבה המזל, בשנות ה-70 של המאה הקודמת הכרומודינמיקה הקוונטית כבר התקדמה מספיק כדי שהמדענים יוכלו להבין שאפשר להפריד בין הגשושית למטרה בניסויי DIS – מצב שנקרא פקטוריזציה. באנרגיות גבוהות מספיק המדענים יכולים למעשה להתעלם מתוצאי השזירה הקוונטית בתנאים מסוימים – במידה מספקת כדי שיוכלו לתאר את מבנה הפרוטון בממד אחד. משמעות הדבר היא שהם יכלו לחלץ מניסויי DIS מדידה של ההסתברות לכך שכל קווארק נתון בפרוטון תורם נתח מסוים מהתנע של הפרוטון קדימה.

התקדמויות תיאורטיות שהושגו לאחרונה אפשרו לנו להתקדם עוד ולתאר את המבנה הפנימי של נוקלאונים ביותר מממד אחד – לא רק כמה הקווארקים והגלואונים תורמים לתנע של הנוקלאון קדימה, אלא גם כמה הם נעים מצד לצד בתוך הגרעין.

אבל את הצעד האמיתי הלאה יביא ה-EIC.

מאיץ אלקטרונים-יונים

ה-EIC יכין מפה תלת-ממדית של נוקלאון מבפנים. אנו מצפים שהמאיץ יספק לנו מדידות של המיקומים והתנעים של קווארקים וגלואונים ואת גודל התרומה של כל אחד מהם למסה ולספין הכוללים של הגרעין.

הגורם העיקרי שבו ה-EIC עולה על ניסויי ה-DIS שקדמו לו הוא הבהירות שלו: הוא עתיד להפיק פי 100 עד 1,000 יותר התנגשויות לדקה מאשר HERA, לדוגמה. בנוסף, האנרגיות הגבוהות של האלומות המתנגשות ב-EIC ייצרו תמונה חדה עד כדי כך שנוכל לזהות בה מרחקים שאינם עולים על כמה מאיות מקוטר הפרוטון, ויאפשרו לנו לחקור את האזורים שבהם יש מספר רב של קווארקים וגלואונים שכל אחד מהם נושא בערך 0.01 אחוזים מהתנע של הפרוטון קדימה.

גשושית לתוך הגרעין
פיזור עמוק לא-אלסטי (DIS) הוא טכניקה שמאפשרת לחקור גרעיני אטומים על ידי כך שמטיחים בהם אלומת אלקטרונים במהירות גבוהה. קיימת תוכנית לבנות מתקן DIS חדש בשם מאיץ אלקטרונים-יונים (EIC), באחת מבין שתי מעבדות אמריקאיות. המתקן יספק לנו תמונות תלת-ממדיות מבפנים של הפרוטונים, הניטרונים וגרעיני האטומים. בעזרת ה-EIC המדענים מקווים לפתור את התעלומה מנין מגיעים המסה והספין של הפרוטונים והניטרונים – שכן אי אפשר להסביר אף אחת משתי התכונות הללו על ידי חיבור פשוט של המסות והספינים של הקווארקים והגלואונים המרכיבים אותם. החוקרים מעוניינים גם להבין איך יחסי הגומלין בין פרוטונים וניטרונים צומחים מתוך הקווארקים והגלואונים.

איורים: בן גילילנד

ה-EIC יאפשר לנו גם לשלוט בכיוון הספין של החלקיקים באלומות שלו, כדי שנוכל לחקור איך צומח ספין הפרוטון מתוך אינטראקציות הכרומודינמיקה הקוונטית של הקווארקים והגלואונים. לאחר שנשלב את מדידות ה-EIC במסגרת התיאורטית המודרנית שלנו, הן יאפשרו לנו ליצור תמונה תלת-ממדית אמיתית של מבנה הפרוטון מקווארקים וגלואונים.

יש לנו שאלות רבות שאנחנו מקווים לחקור: לדוגמה, האם מרכיבי הפרוטון מפוזרים בתוכו בצורה אחידה, או שהם מתאגדים לגוש? האם חלק מהמרכיבים תורמים יותר מאחרים למסה ולספין של החלקיק? ואיזה תפקיד ממלאים קווארקים וגלואונים בקשירת הפרוטונים והניטרונים אלה לאלה ליצירת גרעיני אטומים? רק לאחרונה התחלנו לנסות למצוא תשובות לתהיות הללו ברמה הפמטומטרית במתקנים הקיימים. ה-EIC הוא המכונה הראשונה שתוביל אותנו לתשובות מלאות.

אחד החורים הגדולים ביותר בתמונה של מבנה הנוקלאון שבידינו הוא השאלה מה קורה כשאנחנו מתבוננים בחלקיקים הללו באמצעות גשושית עדינה ביותר ובקני מידה קטנים מאוד. כאן מתחילים להתרחש דברים מוזרים. תיאוריית הכרומודינמיקה הקוונטית חוזה שככל שהאנרגיה של הגשושית שלכם גבוהה יותר, כך תמצאו יותר ויותר גלואונים. קווארקים יכולים להקרין גלואונים, והגלואונים האלו מקרינים בתורם גלואונים נוספים ומחוללים תגובת שרשרת. גם אם זה נשמע מוזר, מה שיוצר את קרינת הגלואונים הזאת אינו פעולת המדידה, אלא המוזרות של מכניקת הקוונטים שמלמדת אותנו שקרביו של הפרוטון נראים אחרת ככל שמסתכלים יותר מקרוב – פשוט יש יותר גלואונים.

אולם אנחנו יודעים שלא ייתכן שזה כל הפתרון, כי אם כן אזי משמעות הדבר היא שהחומר גדל ללא גבול – במילים אחרות, יהיה באטומים מספר אינסופי של גלואונים ככל שתסתכלו בהם יותר מקרוב. מאיצים קודמים, כולל HERA, גילו ראיות למצב "רוויה", שבו פשוט אין בפרוטון מקום לגלואונים נוספים וחלקם מתחילים להתחבר מחדש, בתהליך שמקזז את הגידול. הפיזיקאים מעולם לא זיהו רוויה באופן חד-משמעי, ואנחנו לא יודעים מהו הסף שמעבר לו היא מתרחשת.

חלק מהחישובים מעלים את האפשרות שרוויית גלואונים יוצרת מצב צבירה חדש של החומר: "עיבוי זכוכיתי צבעי" בעל תכונות מדהימות. לדוגמה, צפיפות האנרגיה של הגלואונים עשויה להגיע לשיעור חסר תקדים – פי 50 עד פי 100 מצפיפות האנרגיה שבתוך כוכבי ניטרונים. כדי להגיע לאזורים שצפיפות הגלואונים בהם היא הגבוהה ביותר האפשרית, ה-EIC ישתמש בגרעינים כבדים במקום בפרוטונים, במטרה לזהות את התופעה המרהיבה הזאת ולחקור אותה לעומקה.

לבנות את ה-EIC

התוכניות למאיץ החדש זכו לתמיכה משמעותית מוועדת התכנון לטווח ארוך של קהילת מדעני הגרעין בארצות הברית בהתכנסותה האחרונה עד כה (2015), וגם ממשרד האנרגיה האמריקאי, שהגיש  בשנת 2017 בקשה להערכה בלתי תלויה של ה-EIC מהאקדמיות הלאומיות למדעים, הנדסה ורפואה של ארצות הברית (NAS). ביולי 2018 מצאה הוועדה של NAS שההצדקה המדעית לבניית ה-EIC היא מהותית, משכנעת ורלוונטית.

יש שני מסלולים אפשריים לבניית המכונה הזאת. הראשון הוא לשדרג את ה-RHIC בברוקהייבן. במסגרת התוכנית הזאת, שכונתה eRHIC, יוסיפו אלומת אלקטרונים למנהרת המאיץ הקיימת כבר ב-RHIC ויגרמו לה להתנגש בשתי נקודות שונות באחת מאלומות היונים של ה-RHIC.

אפשרות אחרת היא להשתמש באלומת האלקטרונים של מתקן מאיץ אלומת האלקטרונים הרציפה (Continuous Electron Beam Accelerator Facility, או CEBAF) שבמעבדת ג'פרסון. בהתאם לתכנון שנקרא "ה-EIC של מעבדת ג'פרסון" (JLEIC), אלומת ה-CEBAF תנותב לתוך מנהרת מאיץ חדשה שתיבנה בשכנותה.

כל אחד מהמתקנים האלו יוכל לספק קפיצת מדרגה אדירה בהבנתנו את הכרומודינמיקה הקוונטית, ולהעניק לנו סוף סוף תמונה מוחשית של הנוקלאונים והגרעין מבפנים. כל אחד מהם אמור לאפשר לנו לטפל בשאלות הספין, המסה ומאפיינים אחרים של הנוקלאונים, שנכון להיום איננו יודעים מה לעשות בהם. ולכל אחד מהם תהיה היכולת להטיח אלה באלה סוגים רבים של גרעינים, כולל גרעינים כבדים כמו זהב, עופרת ואורניום, שיאפשרו לנו לחקור איך היערכות הקווארקים והגלואונים משתנה כשהנוקלאונים שלהם מרכיבים חלק מגרעין גדול יותר. היינו רוצים לדעת, למשל, אם חלק מהגלואונים מתחילים לחפוף זה את זה כך שהם הופכים "משותפים" לשני פרוטונים שונים.

פמטו-טכנולוגיה?

במאה ה-21, עצם גודלו של האטום הפך לגורם המגביל בטכנולוגיות שלנו. אם לא תהיה פריצת דרך משמעותית, רכיבים אלקטרוניים לא יוכלו להיות קטנים יותר מ-10 ננו-מטרים (בערך פי מאה מרוחב האטום). מכאן עלול לנבוע שלא סביר להניח שכוח המחשוב הרגיל ימשיך להתפתח באותו קצב שבו הוא מתקדם כבר למעלה מחמישים שנה.

אולם נוקלאונים והמבנים הפנימיים שלהם קיימים בקנה מידה קטן פי מיליון. הכוח החזק המושל בממלכה הזו חזק בערך פי מאה מהכוח האלקטרומגנטי העומד בבסיס האלקטרוניקה של ימינו – למעשה הוא הכוח החזק ביותר ביקום. האם ייתכן שנוכל ליצור "פמטו-טכנולוגיה" שפועלת על ידי תמרון קווארקים וגלואונים? במובן מסוים טכנולוגיה כזאת תהיה חזקה פי מיליון מהננו-טכנולוגיה של ימינו. מובן שהחלום הזה אינו אלא השערה הנוגעת לעתיד הרחוק. אבל כדי להגיע לשם, עלינו לפתח קודם הבנה מעמיקה של העולם הקוונטי של הקווארקים והגלואונים.

ה-EIC הוא מתקן הניסוי היחיד בעולם שבנייתו נשקלת בפועל ושיוכל לספק לנו את הנתונים הדרושים להבנת מלוא היקפה של הכרומודינמיקה הקוונטית. אולם בניית ה-EIC לא תהיה נטולת אתגרים. הפרויקט הזה יצטרך ליצור אלומות בוהקות מאוד וממוקדות במיוחד של אלקטרונים, פרוטונים וגרעיני אטומים אחרים על פני קשת רחבה של אנרגיות, כדי שמספר האירועים לדקה שהוא יוכל ליצור יהיה גדול פי מאה עד אלף ממספר האירועים שיוצר מאיץ HERA. מחקרי הספין דורשים שלאלומות החלקיקים שתספק המכונה יהיו ספינים בעלי יישור מרבי ושנוכל לשלוט בהם ולתמרן אותם.

כדי לעמוד באתגרים האלו אנו זקוקים להמצאות חדשות שיבטיחו לשנות את פניו של מדע המאיצים, לא רק לתועלת הפיזיקה הגרעינית אלא גם למען עתיד המאיצים המשמשים למחקר בתחומי הרפואה, מדע החומרים ופיזיקת החלקיקים האלמנטריים.

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון יוני 2019 של כתב העת Scientific American

לקריאה נוספת

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

 

0 תגובות