לרסק כדי ליצור משהו חדש
כדי לגלות ממה משהו עשוי, אפשר לשבור אותו. פיזיקאי חלקיקים הולכים רחוק יותר: הם מנגחים חלקיקים זה בזה בעוצמה כזאת שהאנרגיה של ההתנגשות הופכת לחלקיקים חדשים שלא היו שם קודם. המשוואה של איינשטיין אומרת שמסה היא צורה של אנרגיה, ולכן התנגשות עם מספיק אנרגיה יכולה ליצור חלקיקים כבדים בהרבה מאלה שנכנסו אליה. בוזון היגס, שמסתו בערך פי 133 ממסת הפרוטון, וקווארק הטופ, בערך פי 184, נוצרו אי פעם רק בדרך הזאת.
רוב החלקיקים האלה חיים חלק זעיר של שנייה ואז מתפרקים לחלקיקים קלים יותר. מאיץ מתנגש הוא מכונה שיוצרת התנגשויות כאלה שוב ושוב, מיליארדי פעמים בשנייה, וגלאי הוא המצלמה שרושמת את מה שעף החוצה. החלקיקים עצמם מתוארים בפיזיקת חלקיקים והמודל הסטנדרטי; הערך הזה עוסק במכונות.
לדחוף בשדות חשמליים
חלקיק טעון מאיץ בשדה חשמלי, כמו כדור שמאיץ כשהוא מתגלגל במורד. מאיצים ישנים השתמשו במתח גדול אחד. מאיצים מודרניים משתמשים בחללי תדר רדיו: תאים חלולים מנחושת או מניוביום, שבהם שדה חשמלי מתהפך הלוך ושוב מאות מיליוני פעמים בשנייה. צרור של פרוטונים מגיע בדיוק כשהשדה מכוון קדימה, מקבל דחיפה, ויוצא לפני שהשדה מתהפך.
בקו ישר הדחיפה הייתה נגמרת כשהחללים נגמרים. אם מכופפים את האלומה לטבעת, היא חוזרת לאותם חללים בכל הקפה. החללים של ה־LHC נותנים לכל פרוטון רק כחצי מיליון אלקטרון־וולט בכל הקפה, אבל הפרוטונים מקיפים את הטבעת יותר מ־11,000 פעמים בשנייה. בתוך כעשרים דקות הם מטפסים מ־0.45 ל־6.8 טרה־אלקטרון־וולט (TeV).
כמעט שום דבר מהאנרגיה הזאת לא הולך למהירות. כבר ב־0.45 TeV פרוטון נע ב־99.9998% ממהירות האור, וב־7 TeV הוא איטי מהאור רק בכשלושה מטרים בשנייה. כפי שתורת היחסות הפרטית מסבירה, שום דבר בעל מסה לא יכול להגיע למהירות האור, ולכן האנרגיה הנוספת מופיעה כתנע: פרוטון של 7 TeV נושא אנרגיה גדולה פי 7,500 בערך מהאנרגיה שיש לו במנוחה.
נסו: העבירו את אנרגיית האלומה מLHC בהזרקה לLHC ושימו לב לקריאות שליד ההדמיה. הפער בין מהירות הפרוטונים למהירות האור יורד מכ־650 מטרים בשנייה לפחות מ־3.
לכופף במגנטים
כדי להחזיק אלומה על מעגל צריך כוח הצידה, ושדה מגנטי נותן אותו. כמו בחלקיקים טעונים בשדות מגנטיים, השדה דוחף מטען נע בניצב לתנועה שלו, ולכן הוא פונה בלי להאיץ ובלי להאט. רדיוס הפנייה נקבע לפי התנע של החלקיק , המטען שלו והשדה :
לפרוטון זה נותן כלל נוח: האנרגיה ב־TeV שווה בערך ל־0.3 כפול השדה בטסלה כפול רדיוס הכפיפה בקילומטרים. כדי להכפיל את האנרגיה צריך להכפיל את השדה או את הרדיוס.
מגנטי הכפיפה של ה־LHC מגיעים ל־8.33 טסלה, יותר ממאה אלף פעמים השדה של כדור הארץ, ולכן פרוטונים של 7 TeV צריכים רדיוס כפיפה של 2.8 קילומטרים. המגנטים ממלאים רק כשני שלישים מהמנהרה, ואת השאר תופסים מגנטים שממקדים את האלומה, חללי האצה, גלאים וקטעים ישרים, ולכן היקף הטבעת כולה הוא 26.7 קילומטרים.
נסו: השאירו את אנרגיית האלומה על LHC וקבעו את עוצמת המגנטים על מגנט ברזל. אלקטרומגנטים רגילים עם ליבת ברזל מפסיקים להתחזק בערך ב־2 טסלה, וטבעת של 7 TeV שנבנתה איתם הייתה בהיקף של הרבה יותר מ־100 קילומטרים. עכשיו נסו את FCC (מתוכנן) בשני המחוונים.
מגנטים מוליכי־על
מגנטים חזקים יותר ממה שהברזל מאפשר צריכים זרמים עצומים: כמעט 12,000 אמפר בכל מגנט של ה־LHC. בנחושת זרם כזה היה מתיך את התיל. הסלילים של ה־LHC מלופפים במקום זאת מניוביום־טיטניום, מוליך־על, שמעביר זרם בלי שום התנגדות כשהוא קר מספיק. הליום נוזלי מחזיק את כל 1,232 מגנטי הכפיפה ב־1.9 מעלות מעל האפס המוחלט, קר יותר מהחלל החיצון.
ניוביום־טיטניום מגיע לקצה היכולת שלו בסביבות 9 טסלה. מגנטים חזקים יותר משתמשים בניוביום־בדיל, שיכול להגיע לכ־16 טסלה, אבל הוא שביר וקשה ללפף אותו; הראשונים מותקנים עכשיו כדי למקד את האלומות של ה־LHC חזק יותר. המאיץ המעגלי העתידי (FCC) המתוכנן אמור לשלב מגנטים כאלה עם מנהרה בהיקף של כ־91 קילומטרים, כדי להגיע עד כ־50 TeV לכל אלומה. המרוץ למגנטים מוליכי־על חזקים יותר חשוב גם לכורי היתוך, שמשתמשים בהם כדי להרחיק פלזמה לוהטת מהדפנות שלהם.
טבעת לא פועלת באנרגיה אחת. הפרוטונים מגיעים ממאיץ קטן יותר ב־0.45 TeV ומואצים במקום, ולכן השדה חייב לעלות יחד עם התנע שלהם כדי להשאיר אותם על אותו מעגל: המגנטים של ה־LHC עולים מ־0.54 ל־8.33 טסלה בזמן שהפרוטונים מטפסים. טבעת שהשדה שלה עוקב כך אחרי האלומה נקראת סינכרוטרון.
נסו: לחצו על LHC בהזרקה ואז קבעו את עוצמת המגנטים על 0.54 T. הטבעת חוזרת לגודל של ה־LHC.
ההתנגשות
כל אלומה של ה־LHC היא לא זרם רציף אלא כ־2,500 צרורות, כל אחד באורך של כמה סנטימטרים ובו כ־100 מיליארד פרוטונים. במקום שבו עומד גלאי, שתי האלומות מוסטות לצינור אחד ונדחסות לחלק מעובי של שערה, וצרורות חולפים זה מול זה כל 25 מיליארדיות שנייה. פרוטונים הם בעיקר חלל ריק, ולכן בכל מפגש רק כמה עשרות מהם באמת מתנגשים. זה עדיין נותן כמיליארד התנגשויות בשנייה.
מה שבאמת מתנגש הם הקווארקים והגלואונים שבתוך הפרוטונים, וכל אחד מהם נושא חלק מהאנרגיה של הפרוטון שלו, ולכן התנגשות משתמשת לעתים רחוקות בכל 14 TeV. בגלל זה חלקיקים כבדים נדירים. התרשים שליד ההדמיה מראה כמה התנגשויות צריך בממוצע כדי ליצור כל סוג של אירוע: ב־LHC, בערך התנגשות אחת מתוך 600 מיליארד יוצרת בוזון היגס שמתפרק לשני פוטונים, בערך אחד כל עשר דקות. העלאת האנרגיה יוצרת חלקיקים כבדים לעתים קרובות הרבה יותר, וזו הסיבה העיקרית לבנות מכונה גדולה יותר.
נסו: בחרו זוג קווארקי טופ בההתנגשות יוצרת והזיזו את אנרגיית האלומה מטבטרון לFCC (מתוכנן). זוגות הטופ עוברים מכמה בדקה למאות בשנייה.
הגלאי: שכבות כמו בצל
גלאי כמו CMS או ATLAS עוטף את נקודת ההתנגשות בשכבות, וכל שכבה בנויה לתפוס סוג אחר של חלקיק. גררו את התקרבות להתנגשות אל החלקיקים שנרשמו: ההדמיה מתקרבת אל הגלאי, חותכת אותו לרוחב האלומה ומריצה התנגשות אחת.
- גלאי העקבות מסיליקון הוא השכבה הפנימית: יריעות דקות של סיליקון, כל אחת מחולקת למיליוני חיישנים זעירים שרושמים חלקיק טעון כשהוא עובר. חיבור הפגיעות נותן את העקבה של החלקיק.
- מגנט סולנואיד ענק עוטף את השכבות הפנימיות בשדה של 3.8 טסלה לאורך האלומה, ולכן כל עקבה טעונה מתעקלת. עיקול הדוק פירושו תנע קטן; עקבה כמעט ישרה, תנע גדול. הכיוון שאליו היא מתעקלת נותן את המטען שלה.
- הקלורימטר האלקטרומגנטי עשוי גבישים צפופים. אלקטרונים ופוטונים מתנגשים בהם, מתפצלים למטר של חלקיקים באנרגיה נמוכה יותר ונעצרים, והגבישים זוהרים באור ביחס לאנרגיה.
- הקלורימטר ההדרוני, מפליז ומפלסטיק, עוצר פרוטונים, נייטרונים, פיונים ושאר החלקיקים שעשויים מקווארקים.
- מיואונים עוברים דרך כל זה, וגם דרך עול הברזל של המגנט. תאים שבין שכבות הברזל עוקבים אחריהם שוב בדרך החוצה.
- נייטרינים עוברים דרך הכול בלי להשאיר סימן. גלאי מוצא אותם רק בחשבון: לפני ההתנגשות שום דבר לא נע הצידה, ולכן התנעים הצדדיים של כל מה שנראה צריכים להסתכם לאפס. אם הם לא מסתכמים, משהו בלתי נראה לקח את ההפרש.
כל סוג של חלקיק משאיר דפוס סימנים משלו. לפוטון אין עקבה, אבל הוא מאיר את הגבישים; לאלקטרון יש עקבה שנגמרת בגבישים; למיואון יש עקבה שממשיכה דרך הברזל. קווארקים וגלואונים אף פעם לא יוצאים לבד. כל אחד מהם יוצר רסס צר של חלקיקים שנקרא סילון, שמשאיר הרבה עקבות וממלא את קלורימטר הפליז.
נסו: כשהתקרבות להתנגשות על החלקיקים שנרשמו, עברו בין האפשרויות של ההתנגשות יוצרת. שני פוטונים בלי עקבות, שני מיואונים דרך הברזל, אלקטרון שמולו אין כלום, וארבעה סילונים עם מיואון ונייטרינו חסר הם ארבעה אירועים שנראים שונים מאוד.
מסימנים לתגליות
התנגשות אחת מוכיחה מעט. אי אפשר לראות בוזון היגס ישירות: הפיזיקאים מחברים את האנרגיות והכיוונים של שני הפוטונים שלו כדי לקבל את המסה של מה שיצר אותם. רוב זוגות הפוטונים באים מתהליכים רגילים ונותנים מסות שמפוזרות על טווח רחב, אבל ב־2012 הניסויים CMS ו־ATLAS מצאו כל אחד בליטה קטנה של זוגות עודפים ב־125 GeV: בוזון היגס.
מכיוון שרק חלק זעיר מההתנגשויות מעניין, הגלאים לא יכולים לשמור את כולן. אלקטרוניקה מהירה בוחנת כל מפגש של צרורות ושומרת רק כאחד מתוך 40,000, וזה עדיין כג’יגה־בייט של נתונים בשנייה.
מה המודל הזה משמיט
הטבעת מצוירת כמעגל פשוט שמגנטי הכפיפה ממלאים שני שלישים ממנו, כמו ב־LHC; בטבעות אמיתיות החלק הזה שונה והקטעים הישרים ארוכים יותר, ולכן הטבטרון, למשל, היה קטן ממה שהמודל נותן למספרים שלו. המפה מתרחקת כשהטבעת גדלה, וכל מה שעל הטבעת (המגנטים, חללי ההאצה, האלומות והגלאי) מצויר גדול פי מאות. מוצגים רק כמה צרורות, והם מקיפים את הטבעת לאט בערך פי מאה אלף מצרורות אמיתיים.
הגלאי הוא CMS מפושט. השכבות הפנימיות שלו מורחבות כדי שאפשר יהיה לקרוא את העקבות, כל חלקיק עף החוצה במישור החתך, ומוצגת רק התנגשות אחת, בעוד שבמפגש אמיתי יש עשרות התנגשויות זו על גבי זו. החלקיקים של כל אירוע הם דוגמה אופיינית שהומצאה בשביל ההדמיה, ולא אירוע שנרשם. כמה פעמים כל אירוע קורה מחושב מחתכי פעולה משוערים להתנגשויות של פרוטון בפרוטון, בהנחה של מיליארד ההתנגשויות בשנייה של ה־LHC בכל אנרגיה. מאיצים מתנגשים של אלקטרונים, כמו LEP הישן שפעל באותה מנהרה, מוגבלים על ידי משהו אחר: אלקטרונים שעוברים עיקול פולטים אנרגיה כאור, כפי שההשוואה למעלה מסבירה.