סודותיו של האנטי-חומר

צוות מדענים בין-לאומי ובו  ד"ר אלי שריד מהמרכז למחקר גרעיני – שורק  ושניר כהן מאוניברסיטת בן גוריון הצליח למדוד את פרטי מבנהו הפנימי של אטום אנטי מימן ולהשוותו לאטום מימן רגיל. ניסוים דומים נעשו כבר לפני עשרות שנים באטומי מימן רגילים, אך זו הפעם הראשונה שמצליחים לבצע מדידות כאלה באנטי-חומר.

כבר שנים רבות אנו יודעים שהחומר מורכב מאטומים. האטומים עצמם מורכבים  מאלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי המקיפים גרעין בעל מטען חיובי. עם זאת, רק כשנולדה מכניקת הקוונטים בתחילת המאה ה-20 הצליחו הפיזיקאים להסביר מדוע האטום יציב ולתאר את מבנהו הפנימי לפרטים.

את קיומו של האנטי-חומר, חלקיקים בעלי תכונות זהות לחומר אך מטען חשמלי הפוך, גילו בהדרגה פיזיקאים לאורך המאה ה-20. ראשון היה פול דיראק, אחד הפיזיקאים החשובים של המאה, אשר ניסה להכפיף את הדינאמיקה הקוואנטית של האלקטרון לתורת היחסות, וחזה ב-1928 שחייב להיות קיים גם חלקיק זהה לאלקטרון אבל בעל מטען חיובי. החלקיק נצפה בניסוי כארבע שנים אחר כך, וקיבל את השם "פוזיטרון".

מאז העמיקו הפיזיקאים בחקר אבני הבניין הבסיסיות של היקום, וכיום המודל הסטנדרטי הוא התורה המתארת את החלקיקים ואת הכוחות היסודיים ביקום, ולפיה לכל חלקיק יסודי קיים אנטי-חלקיק, שזהה לו אבל בעל מטען הפוך.

הדינמיקה בין החומר לאנטי-חומר מעניינת במיוחד – בכל פעם שחלקיק ואנטי-חלקיק נפגשים, הם מתאיינים, כלומר שניהם נעלמים, ופולטים תוך כדי כך אנרגיה. מנגד, בכל פעם שנוצר חלקיק אמור להיווצר איתו גם אנטי-חלקיק זהה. המודל לא מבדיל בין חומר לאנטי-חומר ולא נותן לאחד עדיפות על פני השני. העובדה שביקום שלנו יש כמעט רק חומר (כל האלקטרונים שלנו שליליים, לדוגמה) סותרת את המודל, ונכון להיום איננו יודעים להסביר אותה.

הפוכים אבל זהים

נחזור לאטום המימן. האטום הרגיל מורכב מחומר: בגרעינו יש פרוטון בעל מטען חיובי המורכב משלושה קוורקים, שהם החלקיקים היסודיים ביותר לפי המודל, וסביב הגרעין אלקטרון אחד. אם העולם באמת סימטרי בין חומר ואנטי-חומר, אנחנו אמורים להיות מסוגלים לייצר אטום של אנטי-מימן – אטום שבגרעינו שלושה אנטי-קוורקים המרכיבים אנטי-פרוטון שלילי, וסביבו חג פוזיטרון בעל מטען חיובי. אם אכן אפשר ליצור אטום כזה, ואם מבנהו לא יהיה זהה לאטום המימן הרגיל, נוכל להסיק שהטבע אינו מסתכל באופן זהה על חומר ואנטי-חומר, ועל כן עלינו לחפש תיקונים למודל הסטנדרטי.

ואכן, חוקרים במאיץ החלקיקים האירופי, CERN , הצליחו לייצר חלקיקי אנטי-מימן. הם יצרו קוורקים ואנטי-קוורקים שהתרכבו לאנטי-פרוטונים. את האנטי-פרוטונים העבירו ברִיק לאזור הניסוי, שם הפגישו אותם עם אנטי-אלקטרונים שהופקו במקום אחר במאיץ. ואכן חלק מהאנטי-פרוטונים התנגשו באנטי-אלקטרונים ויצרו אטומי אנטי-מימן. את האנטי-אטומים האלה יש להרחיק מכל מגע עם חומר רגיל, משום שמפגש כזה יגרום להתאיינותם. לכן לוכדים את האנטי-מימן בעזרת שדות מגנטיים, ומצליחים להחזיק אותם די זמן כדי לחקור את תכונותיהם. בשנת 2011 כבר הצליחו מדענים ב-CERN לשמר אטומי אנטי-מימן במשך יותר מ-16 דקות.

החוקרים בחנו את האנטי-אטומים הלכודים בעזרת לייזרים, כדי לנסות ללמוד על המבנה הפנימי שלהם, ולהבין כמה הם שונים מאטומי מימן רגילים. בניסוי קודם הם הצליחו למדוד את הפרש האנרגיה בין רמת האנרגיה הנמוכה ביותר של האנטי-אלקטרון בתוך אטום האנטי-מימן לבין רמת האנרגיה שמעליה, וקיבלו תוצאה זהה לחלוטין לזו של אטום מימן רגיל, בגבולות הדיוק של הניסוי.

בניסוי הנוכחי בדקו המדענים את פרטי המבנה של רמת היסוד באטום האנטי-מימן. באטום המימן הרגיל, כל אחת מרמות האנרגיה של האלקטרון למעשה מתפצלת למספר רמות אנרגיה שונות, כשההפרש האנרגטי ביניהן קטן מאד ביחס להפרש לרמה האנרגטית הבאה. הפיצול נובע מהאינטרקציה בין הספין של הפרוטון בגרעין לבין הספין של האלקטרון. מכיוון שלפי התיאוריה גם האנטי-פרוטון וגם הפוזיטרון נושאים את אותו הספין כמו האלקטרון והפרוטון, סברו החוקרים שרמת האנרגיה הנמוכה ביותר, הנקראת רמת היסוד, אמורה להתפצל בצורה זהה לאופן שבו היא מתפצלת באטום המימן הרגיל.

החוקרים הצליחו למדוד את הפרשי האנרגיה בתוך רמת היסוד של אטום האנטי-מימן, והתוצאה שקיבלו אכן הייתה זהה לזו של אטום מימן רגיל (שוב, בגבולות הדיוק של הניסוי), ומכאן שמבנהו הפנימי של אנטי-אטום המימן זהה גם בפרטים הדקים לזה של אטום המימן. זה כמובן מחזק את הנחות המודל הסטנדרטי.

בהמשך ינסו החוקרים לבחון תכונות נוספות במבנהו של אטום האנטי-מימן במטרה למצוא הבדלים מדידים בין חומר לאנטי-חומר. אם ימצאו כאלה, יצטרכו אנשי התיאוריה לתקן את המודל הסטנדרטי כך שיסביר את הממצאים ואולי גם את עדיפות החומר על פני האנטי-חומר. אם לא, השאלה לאן נעלם כל האנטי-חומר תמשיך להמתין לתשובה, אולי מתחום מחקר אחר.