האם פיזיקה חדשה מסתתרת מאחורי חלקיק המְיוּאוֹן?

אם יש דבר שפיזיקאים אוהבים יותר מלהבין את היקום – זה לא להבין אותו. אני מדבר ברצינות: כל פעם שהטבע מחליט לזרוק לאוויר איזה מספר מוזר, תנודה משונה או סטייה בלתי־צפויה של איזה גרף, משהו אצלם נדלק.

אבל מה לעשות, גם פיזיקאים הם בני אדם, אז לפעמים התגובה שלהם נובעת מאופטימיות יתר במקרה הטוב, ואשליה עצמית במקרה הגרוע. אולי זה לא נשמע כל כך טוב, אך בפועל זה מנוע ההתקדמות של המדע, גם אם בדיעבד מתברר כי הכל היה מהומה גדולה על לא מאומה…

על כך בדיוק אני רוצה לספר לכם במאמר הנוכחי, שמתקשר למאמר הקודם בו דיברנו על חלקיקים בשם: מְיוֹאוֹנִים, ואיך הם קשורים לתורת היחסות.

זוכרים? מעולה, כי המיואונים האלה יהיו גם הכוכב הראשי של הסיפור להלן. אבל ניקח לרגע צעד אחד אחורה.

כידוע, פיזיקאים אוהבים סדר, יציבות, חוקים ברורים… אבל בגבול הטעם הטוב, כן?

קחו למשל את המודל הסטנדרטי – ספינת הדגל של הפיזיקה המודרנית – מודל שמסביר בצורה נפלאה את כל העולם התת-אטומי. המודל עובד מצוין, ומאז שפותח הוא ממשיך לעבור בדיקות חוזרות ונשנות שמאמתות אותו שוב ושוב. בזכותו מצאנו חלקיקים שבכלל לא ידענו שקיימים, רק כי המודל ניבא את קיומם ואמר לנו איפה לחפש.

אבל! יש תחושה של קיפאון. הרי כולם יודעים שהמודל חייב להישבר מתישהו, פשוט כי יש תופעות שהוא לא מסוגל להסביר, כגון:

1. כוח הכבידה (שפשוט לא נמצא במודל),
2. מסת חלקיקי הנוטרינו (קטנה מאוד בפועל, אך לפי המודל אמורה להיות אפס עגול),
3. ערכי מסות החלקיקים וקבועי הצימוד (שנראים כאילו נבחרו בהגרלת לוטו קוסמית בלי שום הגיון),
4. וכן הלאה…

לכן, כל פעם שמשהו בתוצאות הניסויים נראה מוזר, פיזיקאים מיד מתחילים לפנטז שאולי, רק אולי, מצאנו סדק שיפתח לנו את הדלת לפיזיקה חדשה. זהו הרגע שבו המדע עוצר נשימה: כשהטבע מספק אָנוֹמַלְיָה.

וזה כל היופי בסיפור שלפנינו. אעשה לכם ספוילר קטן: הסיפור הוא על תקווה גדולה שהתפוגגה, ולכן במבט ראשון זה נראה כמו סיפור של אכזבה מתובלת בקורטוב של פאדיחה. אבל האמת, זה לא סיפור של כישלון – זה סיפור של הצלחה. הצלחה של השיטה המדעית, שבודקת את עצמה שוב ושוב, כדי לא ליפול לאשליות.

אוקיי, בואו נתחיל.

מֵזוֹן-מי?

כדי להבין את גודל ההתרגשות (ואחר־כך את גודל האכזבה), צריך להבין מה הפיזיקאים בכלל מדדו, וזה הרבה פחות מסובך ממה שזה נשמע.

הסיפור מתחיל עם חלקיק קטן וחמקמק שנקרא: מֵזוֹן (Meson). לא מדובר בחלקיק יסודי, כלומר כזה שבלתי ניתן לחלוקה. המזון הוא חלקיק בעל מבנה פנימי של ממש, והוא מורכב משני חלקיקים קטנים יותר: קווארק ואנטי-קווארק.

תזכורת קטנה למי שצריך: אם קווארק הוא חלקיק חומר, אז אנטי-קווארק הוא חלקיק האנטי-חומר שלו. למעשה, לכל חלקיק ביקום יש חלקיק שהוא גרסת האנטי-חומר של החלקיק המקורי. לדוגמה: פּוֹזִיטְרוֹן, הוא חלקיק האנטי-חומר של האלקטרון. הפוזיטרון הוא אנטי-אלקטרון. עובדה זו תקפה גם לגבי שאר החלקיקים.

אמנם יש הרבה סוגים של מזונים – כי יש הרבה סוגים של קווארקים שמהם המזונים יכולים להיות מורכבים – אבל בכל מקרה, המשותף לכל המזונים הוא שכולם מורכבים מקווארק ואנטי-קווארק.

מכאן והלאה אתמקד במזון מסוג מאוד ספציפי שנקרא: B-meson, ובעברית: מזון-B. כדי שלא אצטרך כל פעם לכתוב את המילה המעצבנת הזו: מזון-B, נסכים כי מעתה והלאה אכתוב פשוט: מֵזוֹן, אך הכוונה היא למזון-B ספציפית.¹

מזונים שכאלה לא נוצרים בטבע באופן ספונטני, ויש לייצר אותם במאיצי חלקיקים ע"י הבאת שני פרוטונים להתנגשות חזיתית באנרגיות גבוהות. אחד מתוצרי ההתנגשות הוא המזון, שלא מחזיק מעמד הרבה זמן; הוא חלקיק לא יציב בצורה מחרידה, ויש לו זמן חיים טיפוסי של כ-1.5 טריליוניות השנייה, וזהו, אחרי זמן זה הוא בעצמו מתפרק.

לחלקיק המזון יש כמה דרכים נפרדות שבהם הוא יכול להתפרק, ולכל דרך יש תוצרים שונים, אבל לפיזיקאים היה חשוב לזהות תהליך אחד ומאוד ספציפי, שבו המזון מתפרק לחלקיק קל יותר – לא חשוב כרגע מי – בתוספת זוג חלקיקים טעונים: אחד בעל מטען חשמלי חיובי, והשני בעל מטען שלילי.

פה בדיוק נכנס לסיפור הגיבור של המאמר הקודם: חלקיק המיואון. מסתבר כי זוג החלקיקים הטעונים שמשתחרר בפירוק הם: 1. מיואון ואנטי-מיואון, 2. אלקטרון ואנטי-אלקטרון.

בקיצור, כדי לעשות את החיים קלים, כל מה שאתם צריכים לזכור בשלב זה של המאמר, הוא כי פירוק של חלקיק מזון יכול להתממש בשתי אפשרויות, או שני 'ערוצים':

1. אפשרות א': מיואון עם מטען חשמלי שלילי, בתוספת אנטי-מיואון עם מטען חשמלי חיובי,
2. אפשרות ב': אלקטרון עם מטען חשמלי שלילי, בתוספת אנטי-אלקטרון (פוזיטרון) עם מטען חשמלי חיובי.

עכשיו אנו מגיעים לחלק החשוב:

לפי המודל הסטנדרטי, שתי האפשרויות הנ"ל צריכות להתממש בהסתברות שווה, ואין העדפה לאחת מהאפשרויות. במילים אחרות: מתוך מאגר נתון של מזונים, הכמות שעברה פירוק לזוג מיואון \ אנטי-מיואון, צריכה להיות שווה לכמות שעברה פירוק לזוג אלקטרון \ פוזיטרון.

זו תחזית שהמון זמן פיזיקאים רצו לוודא. בגדול, המטרה היא כמובן לבדוק את כל התחזיות האפשריות של המודל הסטנדרטי, אבל לא תמיד הטכנולוגיה מאפשרת זו.

כל זה השתנה כמובן עם ההקמה של מאיץ החלקיקים CERN, סוּפֵּר-מעבדת-על שמאפשרת למדוד ישירות את תהליך ההתפרקות של מזונים. כאמור לעיל, אם יש פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי (וחייבת להיות כזו), אז אולי היא תצליח להשתחל פנימה אם למרבה ההפתעה נגלה כי תהליך ההתפרקות של מזונים לא מתרחש בדיוק כפי שאנו מצפים לו.

יחס לא שווה

בפיזיקה ניסיונית, סטייה אחת אף פעם לא מספיקה. רעש סטטיסטי, תנודות אקראיות, בעיות מכשור, כל אלה יכולים לייצר תוצאה מוזרה פה ושם, ומזה אף אחד לא מתרגש. אבל מה שהתחיל להדאיג את קהילת הפיזיקאים (או לשמח במקרה הזה), היא העובדה שבתהליך ההתפרקות של מזונים, התגלתה סטייה שלא ממש נעלמה, גם לאחר שבדקנו שהכל מתקתק כמו שצריך.

כל האמור התרחש בסביבות שנת 2014, אז מאיץ החלקיקים פרסם את התוצאות של ניסויים שנעשו כדי למדוד את התפלגות תהליך הפירוק של חלקיק המזון, כלומר: את היחס בין אפשרות א' של הפירוק (זוג מיואונים) לבין אפשרות ב' (זוג אלקטרונים).

תוצאת הדו"ח זרקה פצצה לאוויר:

היחס הנמדד היה \(\displaystyle \frac{4}{3}\), לטובת האלקטרונים.

במילים פשוטות: על כל 4 פעמים שנתגלה פירוק ע"פ אפשרות ב' (אלקטרונים), נספרו רק 3 פעמים שבו הפירוק היה כפי אפשרות א' (מיואונים). בקיצור, ממש לא כפי שמנבא המודל הסטנדרטי, שדורש כמות זהה לכל אפשרות, ולכן יחס של \({1}\).

חשוב להבין שדו"חות כאלה – ובמיוחד עם תוצאות כאלה – לא מתפרסמים סתם… מדובר בניסוי שהוא למעשה שיתוף פעולה בין מאות פיזיקאים ומדענים, שבודקים פעם שנייה ושלישית את התוצאות לפני הפרסום, כדי לא לעשות לעצמם פאדיחות של הלייף. גם אחרי שהפצצה הוטלה, פיזיקאים לא משתכנעים בקלות; הם דורשים להמשיך לחקור, לבדוק ולתקף את התוצאה פעם נוספת.

אלא שגלגלי הפיזיקה טוחנים לאט לאט; אל תחשבו שניסויים כאלה אפשר לשחזר כל שני וחמישי. מדובר בפרוייקט של שנים, פרוייקט שכולל: כיול מכשירים, כיוונון גלאים, תיאום שלא מהעולם הזה בין צוותים, איסוף נתונים וגם זריקה לפח של נתונים שלא עוברים סף איכות מחמיר, ואז איסוף מחדש, ולאחר מכן ניתוח ואנליזה של הררי נתונים. כמה שנים טובות צריכות לעבור לפני שאפשר יהיה לעשות ניסוי נוסף.

אבל מה לעשות, גם פיזיקאים הם בני אדם, ואת ההתרגשות קשה לעצור. מה גם שבאקדמיה יש דחף בלתי נשלט לפרסם מאמרים, והרבה. אתם בטח כבר מנחשים: תוצאות הדו"ח יצרו תשתית מושלמת לאלף ואחד מאמרים וכנסים, כולם עוסקים בספקולציות: מה זה יכול להיות? מה ההסבר? כיצד יש לעדכן את המודל הסטנדרטי כדי להסביר את התופעה? מה צריך להוסיף? חלקיק חדש? כוח חדש? קבוע נוסף? בקיצור: נוצר באז לא קטן בקהילה הפיזיקאית בשנים שלאחר 2014, והכל כמובן תחת ההנחה והתקווה שהאנומליה הזו תחזור על עצמה, כלומר: נצליח לשחזר אותה. אבל בינתיים, אין סיבה שלא לתת לדמיון לעבוד.

הפצצה הבאה הוטלה בשנת 2017, כאשר פורסם דו"ח תוצאות נוסף. הפעם, הפיזיקאים בדקו מזון מסוג שונה, אבל עם אותם ערוצי התפרקות.² במילים אחרות: גם למזון שנבדק ב-2017 יש שני ערוצי התפרקות זהים למזון שנבדק ב-2014: ערוץ א' מוביל לזוג מיואונים, וערוץ ב' מוביל לזוג אלקטרונים.

הפעם הפצצה הייתה גדולה יותר:

היחס הנמדד ירד ל– \(\displaystyle \frac{3}{2}\), לטובת האלקטרונים.

במילים פשוטות: על כל 3 פעמים שנתגלה פירוק ע"פ אפשרות ב' (אלקטרונים), נספרו רק 2 פעמים שבו הפירוק היה כפי אפשרות א' (מיואונים). אני מבקש מכם לקחת דקת דומיה ולדמיין את ההתרגשות…

שהתנפצה לרסיסים לאחר 5 שנים.

להנמיך את הרעש, בבקשה

דו"ח עדכני שפורסם בשנת 2023, נעץ את הסיכה שהוציאה את כל האוויר מהבלון. הדו"ח כלל ניתוח מחדש של כל התוצאות שנאספו עד אז, והיחס שחושב יצא:

\({1}\) עגול.

זה היה מצחיק אם זה לא היה כל כך עצוב… כי חסל סדר פיזיקה חדשה, לפחות לא עכשיו. הניסוי למעשה אימת ואישש שוב את המודל הסטנדרטי. לא שחסר תוצאות שמאמתות את המודל הסטנדרטי, הוא במצב מצוין; אבל אם הייתה תקווה לפריצת דרך, היא נמוגה.

אז מה לעזאזל קרה? איך זה ייתכן? ומי אשם? תכל'ס, את הראש של מי צריך לערוף פה??? מה פספסו ב-2014 וב-2017? האם מדובר בטעות חישוב? איך צוות של מאות מדענים, אחרי בדיקות חוזרות ונשנות, מפספס ככה? ואיך לא שמו לב לזה בשנים שאחרי פרסום הדו"חות ב-2014 ו-2017?

שאלות טובות. ויש גם תשובות טובות.

בשורה התחתונה: מדובר בטעות. אבל זו לא הטעות הקלאסית שאנחנו מכירים; אף אחד לא פספס איזה פקטור 2, אף אחד לא הכניס פלוס איפה שהיה צריך להכניס מינוס, ובקוד הנומרי שעשה את כל החישובים לא היו באגים. הטעות נגרמה משילוב קטלני של ניחוש מושכל שהפיזיקאים נאלצו לעשות (בלית ברירה אחרת), בתוספת חוסר מידע מאומת היטב של היכולות האמיתיות של ציוד המדידה.

הפרטים הטכניים המלאים חורגים מגבולות המאמר (וגם אני לא בקיא בכולם עד הסוף), אבל בגדול זה מה שקרה:

1. מסתבר כי בתהליך הפירוק של המזון קיימת אפשרות שלישית, בה במקום זוג מיואונים או זוג אלקטרונים, המזון משחרר זוג פַּיּוֹנִים.
2. התכונות של החלקיק הנקרא: פַּיוֹן (Pion) לא חשובות כרגע, מה שחשוב לזכור זה כי הגלאי שאמור היה לזהות את כל התהליכים האלה, עשה טעות קטנה מדי פעם בפעם: הגלאי זיהה בטעות את חלקיקי הפיונים בתור אלקטרונים.

חשוב להדגיש: כולם ידעו על האפשרות השלישית שבה תהליך הפירוק יוצר פיונים, זה לא דבר חדש. יתירה מזו, כולם גם ידעו כי הגלאי לפעמים מפספס וחושב כי פיון הוא למעשה אלקטרון. זה לא באשמתו של הגלאי, וגם לא באשמת המהנדסים שבנו אותו; זו אשמת הפיזיקה עצמה: הטכניקה שבה הגלאים האלה עובדים גורמת לכך שטביעת האצבע של פיון דומה להחריד לזו של אלקטרון.³ תופעה זו יוצרת "רעש רקע" שיש להפחית מהניסוי, ואם לא מפחיתים אותה, אז מן הסתם הגלאי יספור יותר אלקטרונים ממה שבאמת יש. וכל זה בלי קשר לעובדה שהגלאי עצמו הוא מכונה מפלצתית בגודל של דירת מגורים, ויש לדאוג לאלף ואחד דברים עוד לפני שבכלל מדליקים אותו.

שלא תחשבו שצוותי הניסוי של 2014 וגם 2017 לא טרחו כדי להפחית את הרעש הנ"ל, הם טרחו ה-מ-ו-ן. תכלס, הם השתמשו בכל הכלים שהיו לרשותם, ובאותו זמן היה מדובר בעיקר בסימולציות. במילים אחרות: פותחו סימולציות שמנסות להעריך את מספר הפיונים שהגלאי צפוי לפספס ולזהות כאלקטרונים, ואת הכמות הנ"ל להפחית בחישוב.

אבל מה לעשות, מדובר בסימולציה… זה אמנם היה הכי טוב שאפשר לעשות באותו רגע, וגם לא הייתה שום סיבה לחשוב שהסימולציה שגויה, או לא מייצגת את המציאות נאמנה; למיטב ידיעתם של כל המומחים שעבדו על הנושא, הכל היה בסדר.

זו הייתה הנחה שגויה, מן הסתם. אך למרבה המזל, אפילו בזמן שהקהילה עפה על עצמה בפנטזיות על פיזיקה חדשה, הקהילה גם לא שוכחת כי הדרך הנכונה להתקדם קדימה היא לחפש את כל המקומות שבהם אפשר לטעות, ואז לסתום אותם.

וזה בדיוק מה שעשו בין 2020 ל-2022: בוצעה אנליזה מחודשת לכל התוצאות שנאספו מאז תחילת הניסויים, כעשור לפני כן. הכל חושב ונותח מחדש; אך ליתר ביטחון, הפעם התיקון הנדרש להפחתת "רעש הרקע" לא הסתמך על סימולציות, אלא על מדידות בפועל!

הצוות ביצע ניסויים נפרדים, עם חלקיקים אחרים לגמרי, חלקיקים שעוברים תהליכי התפרקות ידועים היטב, תהליכים שכבר נמדדו ואומתו אינספור פעמים, והתפלגות תוצרי הפירוק שלהם ידועה ברמת דיוק גבוהה מאוד. תהליכים אלה שימשו למעשה בתור מנגנון כִּיּוּל לגלאי, ובעזרתם ניתן היה למדוד – לא סתם להעריך, למדוד! – כמה באמת הגלאי מפספס. במילים פשוטות יותר: ניסיון עבר עשיר יצר מצב בו יש תהליכים שעבורם אנו כבר יודעים את התפלגות תוצרי ההתפרקות גם ללא מדידות הגלאי, וכעת ניתן להשוות את קריאות הגלאי הספציפי הזה לידע התיאורטי, וכך למעשה למדוד כמה הגלאי מפספס בפועל, ועל ידי כך לכייל אותו בצורה הרבה יותר מדויקת.⁴

מה אתם יודעים… כאמור לעיל, ניתוח מחדש של כל התוצאות הוביל ליחס של \({1}\), בדיוק כפי שמנבא המודל הסטנדרטי.

סיכום

אי אפשר להכחיש כי האכזבה הייתה גדולה, ובמיוחד לאור הציפיות. למרבה הצער, פיזיקה חדשה כנראה לא מסתתרת כאן.

אך האמת היא שמעל לכל הסיפור המאכזב, דווקא מרחף סיפור הצלחה גדול מאוד, כי זה אומר שהמדע אינו קופץ למסקנות, אלא בודק את עצמו עד זוב דם.

אם המתודה המדעית הייתה אך ורק סיפור על מציאת תשובות, אז מזמן כבר היינו מספרים לעצמנו כל תשובה שנרצה לשמוע. בשביל זה הרי יש מיתולוגיות ודתות, זה הגדרת התפקיד שלהן. למזלנו, בנוסף למציאת תשובות, המתודה המדעית מספרת סיפור נוסף: סיפור על מציאת טעויות – עד שלא נותרות כאלה.

1. גם מזון-B עצמו מגיע בארבע אפשרויות שונות, ואני להלן מתייחס ספציפית למזון-B שיש לו מטען חשמלי חיובי, והוא מורכב מקווארק מסוג: 'מעלה', ואנטי-קווארק מסוג: 'תחתון'. [↩]
2. בניגוד למזון שנבדק ב-2014, הפעם מדובר במזון ללא מטען חשמלי, והוא מורכב מקווארק מסוג: 'מטה', ואנטי-קווארק מסוג: 'תחתון'. [↩]
3. מבחינה טכנית, הגלאי תוכנן כך שפיונים יעברו את הגלאי, כלומר: הגלאי יהיה "שקוף" להם במידה מסוימת. אך כמות הפיונים גדולה ומבחינה סטטיסטית, מספר זעום של פיונים לא מצליחים לעבור ולרוע המזל יוצרים חתימה בגלאי שדומה מאוד לאלקטרונים. [↩]
4. ליתר דיוק, תוצרי הפירוק של התהליכים הידועים לא כללו אלקטרונים בכלל, ובנוסף זוהו רק באמצעות חתימות קינמטיות, כלומר: החלקיקים זוהו לפי מסלול התנועה שלהם, בלי קשר לקריאות הגלאי. ברגע שיודעים את תוצרי הפירוק בוודאות גבוהה, ניתן להשוות זאת לקריאות הגלאי ולכייל אותו. [↩]