לפרוץ את היקום הלא ידוע

הפרוטון הוא דבר מתמשך. הראשון התגבש מתוך הקצף הכאוטי של היקום רק 0.00001 שניה לאחר המפץ הגדול, כאשר הקיום נדחס לחלל בערך בגודל של מערכת השמש. השאר הגיעו במהירות. פרוטונים ברובם שרדו ללא שינוי לאורך 13.8 מיליארד השנים שחלפו - והצטרפו ל- אלקטרונים לייצור גז מימן, מתמזגים בכוכבים ליצירת היסודות הכבדים יותר, אך כל הזמן נשארים פרוטונים. והם ימשיכו להישאר פרוטונים במשך מיליארדי שנים קדימה. הכל, כלומר, חוץ מהמעטים חסרי המזל שמחכים במיכל גז מימן 300 רגל מתחת לעיירה השוויצרית הקטנה מיירין, כמה קילומטרים צפונית לשדה התעופה של ז'נבה. אלה - אלה בצרות.

עד שתקראו את זה, שדה חשמלי חזק יתחיל להרחיק את האלקטרונים מהפרוטונים בגז המימן הזה. גלי רדיו ידחפו את הפרוטונים, עירומים וטעונים, קדימה, ויאיצו אותם דרך הראשונה מהיכול באופן סביר להיקרא סדרת הצינורות המרשימה ביותר ביקום הידוע (תכלס, סנטור סטיבנס). לשפופרות במאיץ ההדרון הגדול הזה (LHC) יש מטרה אחת: לשאוב יותר ויותר אנרגיה לתוך הפרוטונים האלה, לדחוף אותם בחוזקה כנגד מגבלת המהירות הקוסמית הבלתי עבירה של איינשטיין

c

.

ואז, העצירה הפתאומית. חזיתית, פרוטון בודד יפגוש פרוטון בודד במרכז כלוב של 27 מיליון פאונד של סיליקון וסלילים מוליכים של ניוביום וטיטניום. וזה יפסיק להיות. הפרוטונים הללו יתנגשו באנרגיה עצומה כל כך, כל כך הרבה כוח ממוקד, עד שהם יתהפכו. הם יעברו מטמורפוזה למיואונים וניטרינו ופוטונים. כל זה, למטרותינו, זבל. אבל בערך פעם בטריליון התנגשויות - אף אחד לא יודע בוודאות - הן אמורות להפוך למשהו שמעולם לא ראינו קודם לכן. הפרוטונים האלה, כתמי החומר הננוסקופיים האלה שיחד נושאים את האנרגיה של רכבת מהירה, יגיעו אל ההיפותטי ויחזירו מעט ממנו.

יש לנו כמה ניחושים טובים לגבי מה שהם יהפכו. הם יכולים להפוך לחלקיק חסר בשם בוזון היגס - ובכך להשלים, באמצעות תצפית ממשית, את המודל הסטנדרטי של היקום, המתאר את כל מה שעדיין ידוע. או שהם עלולים להיעלם לחומר אפל, וכך לספק את דרישותיהם של האסטרונומים שראו במשך עשרות שנים שהיקום גדוש במסה שמקורה והרכבו לא ידועים. או - וזה מה שכולם באמת מקווים לו - הפרוטונים המתמרנים האלה יתריסו את הדמיון שלנו. הם יראו לנו את הבלתי צפוי, הבלתי צפוי, הבלתי מובן (זמני). הפרוטון הצנוע, רק אולי, יפתיע אותנו.

במחילת הארנב

"הם הפעילו את סורקי הרשתית אתמול", מזהיר סטיב גולדפרב, פיזיקאי חלקיקים בארגון האירופי לחקר גרעיני (CERN, בראשי התיבות הצרפתיים שלו), ביתו של ה-LHC. "אני מקווה שזה יעבוד." הוא נכנס למנעול האבטחה, ודלתות תא הטלפון הירוקות נסגרות מאחוריו. סורק צמוד על הקיר תואם את תבנית כלי הדם בחלק האחורי של גלגל העין שלו מול מסד הנתונים של הכניסות המותרות. המערכת מבטיחה שעוקבים אחר כל אדם, שבקרת המשימה יודעת בדיוק מי יורד לתוך המנהרות. בעוד חודש, נסיעות למטה יהיו נדירות. בעוד חודש, האלומה תידלק.

כניסה מורשית. אנחנו מחכים במעלית עם קבלנים חסונים בחולצות טריקו ומכנסי עבודה מלוכלכים - מלמולים בפולנית ובצרפתית, זהירים מביט בפנקס הכתבים, בכובע הקשיח האדום השמור למבקרים - ואז לטפס פנימה ולחצו על הכפתור של הרצפה –1. אנחנו הולכים לאטלס. הגלאי. המרכז. העבודה הקולקטיבית של עשרות אלפי שנות פיזיקאי, שהיא עדיין, היא מתבררת במהירות כשאנו מגיחים דרך את מסדרון הבטון ולשמוע את הצלצולים החדים הראשונים של פטישים על פלדה המהדהדים בכל החדר, לא לגמרי גמור.

למרות שהוא מושווה לעתים קרובות לחלק הפנימי של קתדרלת נוטרדאם, החדר נראה פחות כמו מקדש גותי מאשר חדר הפאיז'ר בספינת הכוכבים. יש מערוך של סיליקון ופלדה בגובה 80 רגל, 15 מיליון פאונד, חונה במרכז, והוא נראה מוכן לירי. מלבד כאן למטה, הירי מתרחש הפוך. בעוד חודש, ברגע שהליום נוזלי מקרר את המגנטים עד ל-1.9 מעלות קלווין מעל האפס המוחלט (כלומר -456 מעלות צלזיוס), אלומות של פרוטונים במהירות האור כמעט לא ירוץ החוצה, אלא פנימה, ייפגשו בגלאי מֶרְכָּז. (יש עוד גלאי רגיש לא פחות, CMS, במרחק חמישה קילומטרים ברחבי הכפר הצרפתי. שתי הקבוצות יבדקו אחת את עבודתה של זו ויספקו מעט יריבות ידידותית לגבי מי יכול גלה מה קודם.) ההתנגשות תרכז את כל האנרגיה המהירה הזו בקטנה לאין שיעור מֶרחָב. ואז הכדור הזה של אנרגיה טהורה יהפוך למשהו אחר לגמרי. "של איינשטיין

E = m2

, אתה יכול ליצור חלקיקים שהמסה שלהם קטנה מכמות האנרגיה שיש לך", אומר מרטינוס ולטמן, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת אוטרכט בהולנד וחתן פרס נובל. אנרגיה הופכת למסה. זו, בקצרה, הסיבה שהפרוטונים צריכים ללכת כל כך מהר - עם יותר אנרגיה, ה-LHC יכול לזמן חלקיקים כבדים יותר מהאתר. והחלקיקים הכבדים יותר הם המעניינים. הכבדים הם חדשים.

החושך מכפיל את עצמו

הנה מה שאנחנו יודעים על מה היקום עשוי: יש לנו את החומר הרגיל, הנפוץ, כמו פרוטונים ואלקטרונים. בנוסף, יש את כל החומר שמשדר כוח, כמו פוטונים של אור, או גרביטונים, שמושכים חפצים כבדים יחד. זה היקום - חומר וכוח - ופיזיקאים בילו את 60 השנים האחרונות בערך בגילוי הפרטים של האופן שבו כל חלקיקי החומר וחלקיקי הכוח מתקשרים. המכלול של העבודה הזו נקרא המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, וכל פיזיקאי חלקיקים יגיד לך שזה הכי תיאוריה מוצלחת בהיסטוריה של הקיום האנושי, חזקה מספיק כדי לחזות את תוצאות הניסויים עד לחלק אחד ב-a טרִילִיוֹן.

ובכל זאת הדגם הסטנדרטי הוא כמעט בוודאות לא כל התמונה. בעוד פיזיקאים של חלקיקים עסוקים בבניית המודל הסטנדרטי, אסטרונומים וקוסמולוגים עבדו על משימה נוספת, פרויקט חשבונאי קוסמי ענק. מה שהם רואים - או ליתר דיוק, לא - זה סימן ברור שיש הרבה יותר דברים בשמים ובארץ ממה שחולמים הדוקטורנטים.

אם אתה יוצא וסופר את כל הכוכבים והגלקסיות והסופרנובות וכדומה, אתה אמור לקבל הערכה של כמה מסה כוללת יש ביקום. אבל אם אתה מעריך את המסה בצורה אחרת - נניח, על ידי התבוננות באיזו מהירות הגלקסיות מסתובבות (ככל שיש יותר מסה בגלקסיה, כך היא מהירה יותר ספינים) או על ידי שימת לב כיצד גלקסיות מתקבצות יחד בקבוצות גדולות - תסיקו שליקום יש הרבה יותר מסה ממה שאנחנו יכולים לִרְאוֹת. בערך פי חמישה, לפי החישוב האחרון. מכיוון שלא ניתן לראותו, אנו קוראים לזה חומר אפל.

הנה הבעיה: חלקיקי החומר האפל הלא ידועים האלה - אין עמודה במודל הסטנדרטי עבורם. בעיה נוספת היא שאפילו האנשים שהעלו את זה לא חושבים שהמודל הסטנדרטי הוא כל הסיפור. "התיאוריה מעלה כל כך הרבה שאלות חדשות", אומר דיוויד גרוס, שזכה בפרס נובל בשנת 2004 על עבודתו על הסטנדרט מודל, "שאנו משוכנעים שהוא חייב להיות לא שלם בדרך כלשהי." בטח, המודל חוזה נכון את התוצאה של ניסויים. אבל זה לא, בצורה העמוקה שהפיזיקאים רוצים שזה יהיה, יפה.

כדי לגרום למודל הסטנדרטי לעבוד, צריך להיות הרבה כוונון עדין, מילה גסה לפיזיקאים כי זה מרמז על התאמה שרירותית של הרבה משתנים קטנים כדי לגרום להכל לצאת ימין. הרבה יותר טוב, היו טוענים הפיזיקאים, שהכל יתאזן באופן טבעי. כפי שמסכם דן הופר, פיזיקאי במעבדת האצה הלאומית פרמי באילינוי, בספרו החדש Nature's Blueprint, "The הדגם הסטנדרטי כפי שאנו מבינים אותו הוא בסופו של דבר לא יציב והוא זקוק נואשות למנגנון חדש שימנע ממנו ליפול מלבד."

היכנסו לסופר-סימטריה, "מנגנון אכזרי" אחד. סופרסימטריה טוענת שכל חלקיק הוא רק חצי מהסיפור - שלכל חלקיק יש תאום נסתר. זוכרים איך היקום מתפצל לחומר ולכוח? הרעיון המרכזי של סופרסימטריה הוא שלכל חלקיק חומר יש חלקיק תאום נושא כוח. כך גם לכיוון השני: לכל חלקיק כוח יש תאום העשוי מחומר. חומר וכוח, במובן אחד, הם רק שני ביטויים של אותו דבר.

איך זה עובד בפועל? אלקטרונים יוצרים סלטרונים (כמו אלקטרונים סופר-סימטריים), ופוטונים מולידים פוטינו (אל תשאלו). החלקיקים הנוספים, כל אחד כבד יותר מהתאומים שלו, מאזנים אוטומטית את הדגם הסטנדרטי, ללא צורך בכוונון עדין. אבל אולי חשוב יותר, חלקיקים אלה, אילו היו קיימים, יכולים בהחלט להיות החומר האפל שלא נראה עד כה. היקום רוחש סקווארקים, וינו וניטרלינו, והחלקיקים העל-סימטריים האלה פשוט כבדים מספיק ונפוצים מספיק כדי לעלות על החומר ה"רגיל" בפקטור של חמישה לאחד. קוסמולוגיה, פגוש את פיזיקת החלקיקים.

כמובן, כדי שזה יהיה הגיוני, ה-LHC צריך קודם כל למצוא חלקיק סופר-סימטרי. והנה הקאץ': גם אם ה-LHC יוצר חלקיק סופר-סימטרי - שני פרוטונים מתחברים יחד עם מספיק אנרגיה כדי ליצור, למשל, ניטרלינו - החלקיק הזה עדיין יהיה בלתי נראה. הוא יעבור דרך קירות הגלאי ויורד אל קרום כדור הארץ ויחזור אל החלל. בלתי נראה פירושו שהוא לא יוצר אינטראקציה עם חומר רגיל, וחומר רגיל הוא הדבר היחיד שאנחנו יכולים לבנות ממנו גלאים.

אז מה קורה? איך נוכל לדעת? ובכן, אנחנו מסתכלים מאוד מקרוב. כאשר שני פרוטונים מתאחדים, הם יוצרים מטר של חלקיקים. רובם יהיו חלקיקים רגילים, והגלאים יתפסו אותם. ואז המדענים יחפשו את מה שחסר. "זה קצת כמו הסיפור של שרלוק הולמס שבו הרמז החשוב ביותר הוא הכלב שלא נובח", אומר ג'ון אליס, תיאורטיקן ב-CERN. אם הרבה דברים יוצאים לכיוון אחד, חייבת להיות כמות שווה של דברים שהולכים לכיוון השני - זה רק חוק שימור המומנטום. ספרו את מה שיש לכם, הפחיתו את זה ממה שהתחלתם איתו, והרי, אתם יכולים למצוא את עצמכם עם הצצה חולפת לחומר אפל. או לפחות, היעדרו.

נרקומן הנתונים

בחזרה למערה שמחזיקה את אטלס, הפיזיקאי/מדריך הטיולים סטיב גולדפרב עומד על גג 50 רגל מעל רצפה ועוקב באוויר מסלול דמיוני של חלקיק דמיוני שזה עתה הוליד מא הִתנַגְשׁוּת. "כל הרעיון של בניית גלאי ענק כזה", הוא אומר, "הוא להיות מסוגל לשרטט קו מאוד מדויק". באופן מובהק, הקו שהוא משרטט מתעקל על פני החדר.

גם אטלס וגם CMS מייצרים שדות מגנטיים כל כך חזקים ש"אם היית נוסע באוטובוס לכאן ואם היית מפעיל את השדה המגנטי, היית למחוץ את האוטובוס", אומר פיל האריס, סטודנט לתואר שני במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס שמראה לי את ה-CMS הבא יְוֹם. (סטודנטים לתארים מתקדמים נחשבים לעובדי הרטינה עושים הכל של כל פרויקט ענק כמו זה. חברו של האריס, פיטר אוורארטס, עוד סטודנט לתואר שני ב-MIT, אמר לי שאחת התפקידים העיקריים שלהם הייתה "לרדת [לגלאי] לחפש את האורות המהבהבים" שעלולים להעיד על תקלה חיבור. האריס, מצדו, בילה חודשים בבניית מסד נתונים כדי לעקוב אחר אלפי הכבלים המובילים נתונים מעלה והחוצה מהמכונה. ה-LHC: היכן הטובים והמבריקים ביותר של אמריקה הולכים לתיוג כבלים.)

ריסוק האוטובוסים, למרות האדירה הבלתי ניתנת לערעור, לא נמצא כאן על הפרק. במקום זאת, המטרה של כל המגנטים המוליכים האלה היא לגרום להכל להתעקם. כאשר שני הפרוטונים מתנגשים, מטר הפסולת שהם יוצרים לא יגיע, בניגוד לכבלים בגלאי, עם תוויות. האריס ואוורארטס ו-2,000 המדענים האחרים שעובדים על CMS צריכים להבין מהו כל חלקיק. מכיוון ששדה מגנטי מכופף את הנתיב של חלקיק טעון, אתה יכול למדוד כמה כל חלקיק מתעקל וכמה מהר הוא הולך ולהסיק את המטען והמסה שלו. "אנחנו צריכים להבין הכל", מסביר האריס. "איפה זה היה, כמה מומנטום, כמה אנרגיה." ותעשה זאת שוב ושוב, עבור מאות החלקיקים שמתפרצים מכל התנגשות, 600 מיליון פעמים בשנייה.

זה, בתורו, מציג בעיה קלה עם עומס נתונים. "נפיק נתונים בערך של רשת עולמית בכל יום", אומר האריס, צעיר נרגש בן 25 שחובש את הכובע הקשיח שלו לאחור ומכנסיו במרחק של שישה עד שמונה סנטימטרים מתחת למותניו. אוורארטס מפנה את עיניו כלפי מעלה, בודק בבירור את המתמטיקה מאחורי ההתפארות של האריס בראשו. "כן," הוא אומר בחגיגיות, "למרות שהרשת צומחת מהר מאוד."

זה דבר אחד לבצע פרויקט הנדסה אזרחי מאסיבי (אך סופי) כמו ה-LHC בטווח של עשור. זה לגמרי אחר לבנות גוגל חדש בכל יום. "אין סיכוי ש-CERN יכולה לספק את כל רכיבי המחשוב", אומר איאן בירד, מנהיג רשת המחשוב של LHC. במקום זאת, מדענים מצאו שתי דרכים להיפטר מכל הנתונים העודפים.

למרבה המזל (או שלא, תלוי איך מסתכלים על זה), רוב הנתונים שהמכונות אוספות יהיו זבל. חדשות ישנות, חלקיקים שהתגלו מזמן, תופעות שנחקרו היטב. האלקטרוניקה בגלאי זורקת כל התנגשות שאינה נראית מעניינת, מה שמסתכם בכ-99.99997 אחוז מהנתונים הגולמיים.

200 ההתנגשויות הנותרות בשנייה עוברות למעלה אל מרכז המחשוב הראשי, מחסן עם שורה אחר שורה של מחשבים מותקן על מתלה. זה "Tier 0", בעגה של LHC. מכאן, כבלים סיבים אופטיים ייעודיים שולחים עותק של הנתונים ל-11 מרכזי מחשוב ברחבי העולם, מה שנקרא Tier 1. (הכבלים מהווים את "Internet2" המפורסם שאולי שמעתם עליו לפני כמה שנים - כל מה שזה אומר הוא שהמדענים מגיעים אל השתמשו בקווים האלה, לא אתם.) מחשבי Tier 1 מכיילים את הנתונים ומפיצים אותם למאות מחשוב Tier 2 מרכזים. מדובר בחוות שרתים בודדות, 100,000 המחשבים האישיים הפזורים בין אוניברסיטאות כמו קיימברידג' וברקלי ואוסקה. זה המקום שבו יתרחשו רגעי היוריקה. על ידי שימוש במערכת מבוזרת, ההתנגשויות מתחת לכפר צרפתי יכולות להסתעף בכל רחבי כדור הארץ כדי שיעברו 10,000 מוחות. דרך המבנה הזה, בדיוק כמו דרך המגנטים או הסיליקון, הבלתי אפשרי יתממש.

יודע הכל

ההיסטוריה של המדע היא של היבריס. אנחנו חושבים שדי הבנו את עולם הטבע, אנחנו חושבים שהתיאוריות שלנו די מחורבן מוצק - ואז מישהו עושה ניסוי קטן תמים, ולהפתעת כולם, חושף את תְהוֹמִי. מעולם לא חיזרו מדענים באופן כה מודע אל הלא נודע כפי שהם עושים עם ה-LHC. אף אחד לא חושב שהמודל הסטנדרטי יהיה בסופו של דבר כל הסיפור של היקום, למרות אין ספור הצלחותיו בהסבר העולם. פיזיקאים יודעים שיש עוד בחוץ, ממש מעבר להישג ידנו. "אני חושב על דברים לניסויים לחפש", אומר ג'ון אליס, "ומקווה שהם ימצאו משהו אחר".

"אני חושב שכולנו רוצים לדעת מאיפה באנו ואיך אנחנו משתלבים בעולם", אומר ג'ורג' סמוט, קוסמולוג מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. זוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2006, "אבל חלקנו צריכים לדעת איך הכל עובד בפירוט רב". 14 השנים, 10 מיליארד דולר ו-10,000 אנשים שזה לקח לבנות את ה-LHC ניתן לקחת כמדדים פשוטים של סקרנות אנושית, של כמה אנחנו מוכנים לתת כדי לחקור מאיפה באנו ואיך אנחנו משתלבים בעולם. אתם עשויים לתהות מדוע זה משנה אם סופרסימטריה נכונה או לא, מדוע חשוב למצוא את החומר האפל. אבל הבנת היקום היא כוח. "אם אתה מכיר את חוקי הפיזיקה, אתה יודע מה אפשר לעשות ומה לא ניתן לעשות", אומר חתן פרס נובל ג'רארדוס ט הופט. "הכרת חוקי הפיזיקה מאפשרת לך לראות את העתיד."

ראה את כל הסיקור של PopSci על מאיץ ההדרונים הגדול בכתובת popsci.com/lhc.