בחיפוש אחר החלקיק האלוהי

אנו מביאים כאן כתבה שפורסמה במסע אחר ומסבירה את מהלך החיפוש אחר סודות המפץ הגדול.

בני אדם תופסים בדרך כלל את הסימטריה כדבר מושלם, נקי ויפה. מכאן משוואה פשוטה: סימטריה קשורה ליופי ומשרה תחושה של אסתטיקה. האם זה אומר שכל דבר יפה חייב להיות כרוך בסימטריה? עיון קצר בתולדות האמנות מגלה שזה לא תמיד כך. במקרים רבים נראה כי שבירה של סימטריה יש בה לעתים יותר יופי מהסימטריה הגולמית שממנה היא נגזרה.
כך, למשל, אצל ליאונרדו דה וינצ'י, שעסק רבות באנטומיה של גוף האדם: אחד מרישומיו היותר מפורסמים מראה את האדם תחום בריבוע או מעגל. בחינה מדוקדקת של הרישום מראה את הא־סימטריה העדינה, אבל

רישום של ליאונרדו דה-וינצ'י. א-סימטריה בגוף האדם | צילום: אימג'בנק ישראל

כל כך חיונית, במבנה גוף האדם. האשך השמאלי, למשל, תלוי נמוך יותר מהימני, וטוב שכך – לו היו שני האשכים באותו גובה, ההליכה לא היתה נוחה במיוחד וגם ייצור הזרע עלול היה להיפגע. ייתכן שהאבולוציה שוברת את הסימטריה באופן עדין שמאפשר בסופו של דבר את קיומנו.
בני האדם נראים סימטרים במבט כללי. אבל מה שבסופו של דבר גורם לנו לחשוב שאשה אחת יפה יותר מחברתה הוא לפעמים דווקא השבירה העדינה באיזון בין ימין לשמאל. מניפולציות מחשב מאפשרות לנו כיום לבנות מתצלום או מציור של פנים שתי גרסאות ראי של פנים סימטריות (ימין־ימין ושמאל־שמאל). האם הדמות שבתמונה האמצעית (ימין־ימין) חיננית יותר? קיים מחקר שטוען כי גברים מעדיפים באופן ברור את חצי הפנים הימני של האשה. ההסבר שניתן לכך הוא שהחצי הימני של הפנים נקלט על ידי העין השמאלית של המתבונן ומנותח על ידי מחצית המוח הימנית, שהיא המחצית שמגיבה ליופי ולאסתטיקה. מאחר שגברים, מאז שחר ההיסטוריה, העדיפו נשים שמחצית הפנים הימנית שלהן נעימה יותר למראה, האבולוציה דאגה לא־סימטריה במבנה הפנים של האשה וגרמה לכך שהמחצית הימנית בדרך כלל יפה יותר.
אם נסתכל בציור "אולגה" של פיקאסו או ברישום של דה וינצ'י, נראה באופן ברור שהמחצית הימנית של הפנים שונה לגמרי מזו השמאלית. לפני יותר משלושים שנה, בהיותי ילד, הלכתי לביקור שגרתי אצל רופא המשפחה, ד"ר סופר. הוא הסתכל עלי במבט בוחן והושיט את ידו למשש את עצמות לחיי. כשמבט מודאג מתפשט על פניו, שאל אותי אם ידוע לי שצד אחד של פני לא זהה לשני. דומני שמאז עד עצם כתיבת מאמר זה חייתי בהרגשה שמשהו לא בסדר אצלי. עכשיו רווח לי, ד"ר סופר לא התמצא כנראה בציורים של פיקאסו.

פני אישה	המחצית הימנית של פניה ותמונת ראי של מחצית זו	המחצית השמאלית של פניה ותמונת ראי של מחצית זו

החתול המורעב של אליסה
הא־סימטריה בחיצוניות של גופנו היא כאין וכאפס לעומת הא־סימטריה בפנימיות. אין כוונתי לכך שלבנו האחד נמצא בצד שמאל וכבדנו היחיד בצד ימין, וגם לא לכך ששני חצאי מוחנו מנתחים אינפורמציות שונות לחלוטין.
סקירה מהירה של המבנה הפנימי המולקולרי של הרקמות בגופנו ובגופם של בעלי חיים אחרים תחשוף עולם א־סימטרי מובהק. מבנה החומצות האמיניות המקודדות על ידי הדי. אן. איי בגופנו מדבר בעד עצמו. הסלילים מהם מורכב הדי. אן. איי הם ימניים – כלומר מסתלסלים כמו בורג בעל הברגה ימנית.
כאשר תרכובת של חומצה אמינית כגון אלנין נוצרת במעבדה, היא מופיעה בשתי צורות, אחת נקראת ימנית ואחת שמאלית – כאשר שתי הצורות מהוות תמונת ראי אחת של השנייה. מסיבות שאינן ברורות לנו לחלוטין – רק התרכובת השמאלית מופיעה במין האנושי.
כאשר אליסה בארץ המראות מלטפת את החתלתול שלה ושואלת אותו אם ירצה לחיות בארץ המראה, תוך שהיא מביעה את תקוותה שחלב בארץ המראה הוא טוב לשתייה,

מולקולה של חומצה אמינית. רק הגרסה השמאלית מופיעה במין האנושי

היא איננה מודעת לכך שהוא עלול לגווע שם ברעב. הסיבה היא שהחלב עשוי ממולקולות ימניות והחתול שלה, עם האנזימים בעלי המולקולות השמאליות, לא יוכל לעכלו.
ב־1956 הציגה חברת תרופות גרמנית סם הרגעה שאינו ממכר בשם תלידומיד. התרופה שווקה באירופה ובאמריקה הדרומית, ולמרבה המזל נאסרה לשימוש בארצות הברית. בארבע השנים שבהן שווקה התרופה היא גרמה למומים נוראיים בוולדים של נשים שנטלו את התרופה במהלך ההריון. התברר שמולקולת התלידומיד שניתנה לחולים מופיעה במעבדה בשתי צורות, שאחת היא תמונת הראי של חברתה. היום ידוע לנו שאחת מהתרכובות גורמת לנזק הנורא. בהמשך לכך, התרופה ניתנת כיום בצורה מבוקרת ובמקרים מסוימים לטיפול בחולי איידס וצרעת.
מה מקורה של הא־סימטריה הזאת? ב־28 בספטמבר 1969, בשעה שרוב תושבי העיירה מרצ'יסון (Murchison) האוסטרלית היו מכונסים בכנסייה לדרשה של יום ראשון בבוקר, ירד גשם של אבנים ברדיוס של כ־33 קילומטר רבוע בעיירה. המטאוריטים שנפלו מהשמים הכילו מינרלים, מים וחומצות אמיניות שהיו ברובן שמאליות. האם יכול להיות שהמקור לא־סימטריה בגופנו מצוי בחלל החיצון?
הא־סימטריה הביולוגית היא רק היבט אחד של התעלומה. בחינת העולם הפיזיקלי שמסביבנו תגלה מיד שהוא מכיל תופעות רבות של א־סימטריה. דוגמה מעניינת היא חלקיקים מוזרים, חסרי מסה ונטולי מטען חשמלי הקרויים נויטרינו. החלקיקים החמקמקים האלה נפלטים מהשמש שלנו תוך כדי תהליך של הפיכת פרוטונים לניטרונים. הנויטרינו, שמסוגלים לחדור קירות ומבנים מוצקים כאילו לא היו (כולל כדור הארץ עצמו), הם כולם שמאליים: בתנועתם הפנימית הם מסתובבים נגד כיוון השעון (תמונת הראי שלהם תהיה לכן ימנית). מדוע? האם יש נויטרינו ימניים? למדע לא ידוע כיום על קיומם של נויטרינו מן הסוג הזה. האם ייתכן שיש לכך קשר בין הא־סימטריה הפיזיקלית ובין העובדה שבפלנטה שלנו התפתחו צורות החיים א־סימטריות? כאמור, התשובות לכך אינן ברורות. מה שכן ברור הוא שהימצאותה של א־סימטריה ביקום שלנו היא זו שכנראה מאפשרת את קיומם של החיים בו בצורה המוכרת לנו.

ה"פרשים" וה"אווזים" של אשר: הציור המקורי מייצג את החומר		התמונה בהיפוך צבעים (שחור הופך ללבן וההפך) מייצגת את האנטי חומר	שיקוף עולם האנטי חומר במראה. העולם חוזר לעצמו כאשר הופכים חומר לאנטי חומר ומשקפים אותו במראה

אנטי חומר והאווזים של אשר
דוגמה מאלפת במיוחד לא־סימטריה הינה סיפורו של החומר והאנטי חומר. גילויו של האנטי חומר התאפשר לא מעט בעזרת עבודתו של פול דירק, פיזיקאי ומתמטיקאי ממוצא שווייצרי, בשנות העשרים של המאה הקודמת. דירק היה זה שעשה את הצעדים הראשונים למיזוג תורת הקוואנטים ותורת היחסות הפרטית של איינשטיין. הוא ניבא, בין היתר, את קיומו של חלקיק שהוא תמונת ראי מושלמת של האלקטרון, אבל מטענו הפוך, כלומר חיובי (לכן גם נקרא: פוזיטרון). כמה שנים אחר כך נתגלו האנטי חומר והאפשרות לייצרו בתנאי מעבדה.
עבודתו של הגרפיקאי ההולנדי המפורסם מוריץ קורנליס אשר מספקת לנו אינספור דוגמאות והמחשות ויזואליות מופלאות ליחסים המתקיימים בין עולם החומר והאנטי חומר לסימטריה והא־סימטריה. באיור הבא, ה"פרשים", אנו רואים סדרה של תמונות. המקור נמצא בצד ימין. הוא מייצג עבורנו את עולם החומר. הפרשים השחורים רוכבים ימינה והלבנים שמאלה. ואילו  בעולם האנטי חומר, שחור הופך ללבן (הציור האמצעי) והפרשים השחורים רוכבים שמאלה. אם נשקף תמונה זו בראי (ציור שמאלי) נקבל שוב את המרקם המקורי – הפרשים השחורים רוכבים ימינה. העולם חוזר לעצמו כאשר הופכים חומר לאנטי חומר ומשקפים אותו בראי. בעולם הרוכבים של אשר החלפת חומר באנטי חומר ושיקופו בראי לא ניתנים להבחנה מעולם המקור. בעולם זה קיומם של נויטרינו שמאליים מחייב קיומם של אנטי־נויטרינו ימניים.
בציור ה"אווזים" של אשר המצב מעט שונה. בתמונה הימנית נראים האווזים המקוריים המשתלבים זה בזה. הכהים נעים שמאלה והבהירים ימינה. במרכז נמצאת ה"אנטי תמונה", בה הכהים עפים ימינה והבהירים שמאלה. בתמונה השמאלית שיקפנו את האנטי אווזים במראה וחזרנו לכאורה לעולם המקור. האווזים הכהים עפים שמאלה… מבט נוקב יותר יגלה שהעולמות רק כמעט זהים – הזנב של האווזים הכהים שהצביע במקור כלפי מעלה – מצביע כעת מטה. כלומר הסימטריה כאן נשברת קלות. היא אינה מושלמת. על פי הציור לפחות, עולם האנטי חומר המשוקף לא זהה לעולם המקור. מצאנו סדק בסימטריית החומר־אנטי חומר. האם ניתן למצוא כאן אולי רמז לאחד הגורמים שהפרו את האיזון בין החומר לאנטי חומר מאז היווצרות היקום לפני כ־15 מיליארד שנה? שאלה פתוחה.
כך או כך, למזלנו, ה"חומר" האקזוטי הזה המכונה "אנטי חומר" איננו בנמצא באופן חופשי בעולם שלנו מאחר שכל מפגש בין חומר לאנטי חומר יוביל מיד להשמדה הדדית תוך פליטת אנרגיה אדירה. למעשה, קיומנו בעולם תלוי באי קיומו של האנטי חומר.
כיום ידוע לנו, במידה רבה של ודאות, כי בעת המפץ הגדול – אותו אירוע קוסמי אדיר שיצר את היקום שלנו – היתה סימטריה מושלמת בין הכוחות וחלקיקי היסוד. רק בשלב מסוים, במהלך התקררותו של היקום, נשברה הסימטריה. גם האנטי חומר נעלם. משהו הפר את הסימטריה ותרם בכך תרומה, כנראה מכרעת, ליצירת תנאים לקיומם של חיים.

ארבעת כוחות היסוד
בשורות הבאות נצא למסע קצרצר אל היקום הקדמוני שנוצר מיד לאחר אותו "רגע הבריאה" – המפץ הגדול. החומר היה מורכב אז מאלקטרונים וקוורקים (החלקיקים מהם בנויים פרוטונים וניטרונים שמרכיבים את הגרעין). העולם היה חם אז עשרת מונים מהשמש ובטמפרטורות כאלה הגרעינים נקרעים כתוצאה מהתנגשויות אלימות.
עם ההתקררות, החל להיראות הסדר המוכר לנו כיום. פרוטונים התחברו לניטרונים כדי ליצור גרעינים טעונים מטען חשמלי חיובי המושכים אליהם אלקטרונים ובונים את האטומים. גם ארבעת כוחות היסוד המוכרים לנו כיום היו אז כנראה שווים בגודלם: כוח הכבידה הפועל בין מסות (מסה אקוויוולנטית למשקל) וגורם לקריסת כוכבים לכדי חורים שחורים, הכוח החשמלי האחראי למשיכה בין הפרוטונים החיוביים לאלקטרונים השליליים באטום, הכוח החלש שמאפשר את הפיכתם של ניטרונים לפרוטונים בשמש תוך כדי פליטת אלקטרונים ונויטרינו, והכוח הגרעיני החזק שאחראי לקיומם של הפרוטונים בגרעין.
ההתקדמות הדרמטית שחלה במאה השנים האחרונות בתחומי הפיזיקה מאפשרת לנו היום להשיב על השאלה כיצד היקום "עובד" במונחים של כוחות וחלקיקי חומר בצורה סבירה למדי. אולם כדי שהיקום "יעבוד" (ונקבל את העולם המוכר לנו) צריכים להתקיים יחסים מאוד מורכבים בין הכוחות והחלקיקים המרכיבים את החומר שבו. ישנן עדיין שאלות פתוחות רבות, חלקן נוגע בא־סימטריה המובהקת המתגלה בעולם החלקיקים. מדוע למשל יש מסות שונות לחלקיקים? אנו יודעים גם כי ישנם שלושה דורות של חלקיקים. כך, למשל, קיימים שלושה סוגי אלקטרונים שהם זהים לחלוטין, פרט למסה שלהם (אלקטרון, מיואון וטאו); כיצד זה קורה? ומדוע הפרוטון כבד פי אלפיים מהאלקטרון?
לפני כארבעים שנה, ב־1964, שלח פיזיקאי בריטי בשם פטר היגס מאמר לעיתון מדעי מכובד והציע בו מודל שמסביר את אופן הקניית המסה לחלקיקים. המודל של היגס לא התקבל לפרסום באותו עיתון והיגס נאלץ לשנותו ולשלחו פעם נוספת, אבל פתח את אחד ממבצעי החיפוש הגדולים של הפיזיקה המודרנית: החיפוש אחר מקור המסה.

החיפוש אחר חלקיק היגס
באפריל 1993 הופיע גיליון של הירחון הבריטי "עולם הפיזיקה" שהכיל בין היתר כתבה על חלקיק שכונה "היגס" ועל למה אנחנו רוצים למצוא אותו. הכתבה היתה בהמשך לתחרות מוזרה עליה הכריז שר המדע הבריטי דאז, ובה הציע בקבוק שמפניה לפיזיקאי שיסביר בצורה הטובה ביותר (על גב מעטפה) את מהות החלקיק ומדוע מחפשים אחריו. מי שזכה בשמפניה בסופו של דבר היה הפיזיקאי האנגלי דייוויד מילר, שהציע דרך אלגנטית שמסבירה כיצד יכול חלקיק אקזוטי (היגס) להקנות מסה לחלקיקי החומר בטבע על ידי שבירת סימטריה ספונטנית.

מילר דימה את עולמנו לאולם גדול שבו נערך כנס פוליטי עמוס משתתפים. לצורך האנלוגיה, האנשים בכנס שהיו מפוזרים בכל מקום ברחבי האולם מהווים את חלקיקי ההיגס. בשלב מסוים עוברת שמועה כלשהי בחדר והאנשים נצמדים זה לזה כדי לשמוע מה קורה. תוך כדי כך הם מצרים זה את צעדיו של זה ומקשים על התנועה בחדר. הם נעשים כבדי תנועה, ההיגס מקנה לעצמו מסה.
השמועה היא שראש הממשלה מגיע לאולם. ואכן אחרי זמן מה נכנס ראש הממשלה לאולם וכל מוקיריו מקרב המון ההיגסים מקיפים אותו ומקשים על התקדמותו. בהיצמדותם לו הם מקנים גם לו מסה. מנהיג האופוזיציה נכנס אחרי זמן מה לחדר, אבל חשיבותו פחותה ודרכו קלה יותר, מסתו הנרכשת מקהל ההיגסים קטנה יותר. קצרה היריעה מלהכיל הסבר ממצה על הדרך בה מקנה חלקיק היגס מסה לכל חלקיקי החומר בטבע על ידי שבירת סימטריה ספונטנית. אבל מהאנלוגיה של מילר אפשר להבין שהוא עושה את זה תוך כדי שהוא נצמד אליהם (וגם לעצמו).

מאיץ החלקיקים בשוויץ ינסה לשחזר את המפץ הגדול | צילום: באדיבות CERN

משחזרים את רגע הבריאה
אם אכן קיימים "שוברי סימטריה" הללו, המכונים היגסים, כיצד ניתן יהיה לאתרם? אחד המכשירים החדשים שעשוי לסייע לנו בכך הוא מאיץ החלקיקים החדש הנבנה בימים אלה באזור סרן (Cern) שבז'נבה.
במאיץ הנבנה בהשקעה של מיליארדי דולרים יתנגשו אלומות של פרוטונים בינן לבין עצמן. אם נדמה את ההתנגשות בין אלקטרונים להתנגשות חזיתית בין שני זוגות אופניים איטיים, הרי שההתנגשות בין פרוטונים (הכבדים פי אלפיים מהאלקטרונים) היא כמו התנגשות חזיתית בין שתי משאיות ענק במהירות הקרובה למהירות האור. המטרה העיקרית היא ליצור אנרגיה דומה לזו ששררה בעת המפץ הגדול, ומתוך כך להביא ליצירת חלקיקי חומר. פיזיקאים נוהגים לתאר זאת כניסוי שישחזר את רגע הבריאה.
כדי לגלות את החלקיקים, ובפרט את חלקיק היגס, עסוקים אלפי מדענים בבניית גלאי חלקיקים שהוא למעשה מעין עין ביונית משוכללת שמסוגלת לראות את תוצרי ההתנגשות ולפענח באמצעות אלקטרוניקה ומחשבים את תמונת החומר. גלאים מהסוג הזה הם מכונות ענקיות בגובה של שבע קומות ובאורך של עשרות מטרים. ישראל שותפה בגלאי המכונה אטלס, שחלקו תוכנן ונבנה במכון ויצמן בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת תל אביב והטכניון.
המאיץ החדש, ייצור אנרגיות דמיוניות שיאפשרו ללא ספק לייצר את חלקיק היגס, ואולי אף יגלו לנו היבט חדש של היקום שלא ידענו בכלל על קיומו. באמצעות סימולציות מחשב ניתן כבר היום לראות איך יראה המחשב חלקיק היגס. התמונות שמתקבלות מההתנגשויות הללו הן מרהיבות. פרויקט בסדר גודל שכזה לא נופל מכיבוש החלל ונחיתת האדם על הירח, הן מבחינה טכנולוגית והן מבחינה מדעית; ומי יודע – אולי ייחשף בפנינו גן חיות חדש של חלקיקים שיעסיק את הפיזיקאים לאורך כל המאה ה־21. תמונת העולם תהא מלאה. במובן זה לפחות, זו תהא סימטריה מושלמת.