פיזיקת חלקיקים

פִיזִיקַת חֶלְקִיקִים היא ענף בפיזיקה שחוקר את המבנים הבסיסיים של החומר והקרינה ואת התגובות ביניהם. ענף זה בפיזיקה נקרא גם לעיתים פיזיקה של אנרגיות גבוהות, מכיוון שחלקיקים יסודיים רבים אינם מופיעים במצבים רגילים בטבע, אך יכולים להיווצר ולהתגלות במהלך התנגשויות אנרגטיות של חלקיקים אחרים, כפי שקורה במאיצי חלקיקים.

מודל החלקיקים הבסיסי נקרא המודל הסטנדרטי והוא מאחד את כל החלקיקים היסודיים המוכרים והכוחות בטבע, מלבד כבידה. התורה הפיזיקלית המשמשת כבסיס המתמטי לפיזיקת החלקיקים ולמודל הסטנדרטי היא תורת השדות הקוונטית.

פיזיקת חלקיקים מודרנית מתרכזת בחלקיקים תת-אטומיים, להם מבנה פחות מורכב מזה של אטום. חלקיקים אלה כוללים את מרכיבי האטום, אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים (פרוטונים ונייטרונים הם, למעשה, חלקיקים מרוכבים, המורכבים מקווארקים), חלקיקים המיוצרים על ידי שיטות של הקרנה ופיזור, כמו הפוטון, הנייטרינו והמיואון, כמו גם קשת רחבה של חלקיקים אקזוטיים.

אם לדייק, המינוח "חלקיק" אינו שם מתאים כל-כך. העצמים הנחקרים בפיזיקת חלקיקים מצייתים לעקרונות של מכניקת הקוונטים. ככאלו, הם מצייתים לדואליות הגל-חלקיק, כלומר, מקיימים התנהגות חלקיקית תחת תנאי ניסוי מסוימים, והתנהגות גלית תחת תנאים אחרים. באופן תאורטי, הם אינם יכולים להיות מתוארים כגלים, וגם לא כחלקיקים, אלא כווקטורי מצב במרחב הילברט מופשט. לתיאור מפורט יותר, ראו את תורת השדות הקוונטית.

כל החלקיקים שנצפו עד כה כבר נחזו קודם לכן בתורת השדות הקוונטית בשם המודל הסטנדרטי, אליו מתייחסים לעיתים כאל התאוריה המוצלחת ביותר של פיזיקת החלקיקים עד היום. המודל כולל 47 סוגים של חלקיקים יסודיים, כמה מהם יכולים להתרכב וליצור חלקיקים מרוכבים, מה שיוצר פתח לקיומם של עוד מאות סוגים של חלקיקים, שרובם נתגלו בסוף שנות ה-60.

המודל הסטנדרטי נמצא מדויק כמעט בכל המבחנים הניסויים שנעשו עד היום. אך למרות זאת, רוב מדעני החלקיקים מאמינים שזהו תיאור חלקי בלבד של הטבע, ושישנה תאוריה בסיסית יותר שעתידה להתגלות. בשנים האחרונות^{[דרושה הבהרה]}, מדידות של מסת הנייטרינו סיפקו את החריגות הראשונות מהמודל הסטנדרטי.

לפיזיקת חלקיקים הייתה השפעה גדולה מאוד על הפילוסופיה של המדע. חלק מהעוסקים בתחום עדיין דבקים ברדוקציוניזם, מושג ישן אשר בנוגע אליו קיימת ביקורת רבה מצד פילוסופים ומדענים כאחד. חלק מהדיון בעניין מתואר למטה.

בשנות ה-50 וה-60 נתגלה מגוון רחב של חלקיקים, בניסויים שונים. דבר זה זכה לכינוי "גן החיות של החלקיקים", והוביל לשאלה: ממה מורכבים חלקיקים אלה. בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן (יחסית) של חלקיקים בסיסיים. על הרקע ההיסטורי להתפתחותה של פיזיקת החלקיקים ראו בערך מבנה החומר.

ערך מורחב – המודל הסטנדרטי

סיווג החלקיקים היסודיים הנוכחי נקרא "המודל הסטנדרטי". הוא מתאר את הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש ואת הכוח האלקטרומגנטי, זאת תוך שימוש בבוזונים מתווכים בשם "בוזוני כוח". הסוגים השונים של בוזוני הכוח הם הפוטון, בוזוני W ו-Z ושמונת סוגי הגלואונים. המודל כולל גם 24 סוגים של חלקיקים יסודיים נוספים, והם מרכיבי החומר. לבסוף, המודל חזה גם את קיומו של סוג של בוזון בשם בוזון היגס, אשר גילויו אושר ב-2013 וזיכה את פיטר היגס ופרנסואה אנגלר בפרס נובל לפיזיקה. מנגנון היגס, המבוסס על שבירת סימטריה ספונטנית מסביר את היותם של הפרמיונים ובוזוני W ו-Z בעלי מסה.

בפיזיקת חלקיקים, שיתופי הפעולה הבינלאומיים הם:

• CERN, הממוקם בגבול שווייץ-צרפת ליד ז'נבה. המתקנים העיקריים שלו הם ה-LEP, מאיץ התנגשויות האלקטרון-פוזיטרון (לא בשימוש כעת), וה-LHC, מאיץ התנגשויות ההאדרונים.
• DESY, הממוקם בהמבורג, גרמניה. המתקן העיקרי שלו הוא HERA, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים או פוזיטרונים ופרוטונים.
• SLAC, הממוקם ליד פאלו אלטו, ארצות הברית. המתקן הראשי שלו הוא PEP-II, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים ופוזיטרונים.
• פרמילאב, הממוקם ליד שיקגו, ארצות הברית. המתקן העיקרי המפורסם שלו היה הטבאטרון, מאיץ התנגשויות של פרוטונים ואנטי-פרוטונים, כיום פועלים מספר מאיצים ומתקנים נוספים בניסויים שונים.
• המעבדה הלאומית ברוקהייבן, הממוקמת בלונג-איילנד, ארצות הברית. המתקן העיקרי הוא ה-RHIC, הגורם להתגשויות של יונים כבדים, כמו יוני זהב, עם פרוטונים. זהו מאיץ התנגשויות היונים הראשון בעולם.
• מכון בודקר לפיזיקה גרעינית, הממוקם בנובוסיבירסק, רוסיה.

מלבד אלה, קיימים עוד מאיצי חלקיקים ברחבי העולם.

פיזיקאי חלקיקים העוסקים בניסויים הם רק נתח קטן מכלל הפיזיקאים העוסקים בחלקיקים. הקבוצה השנייה של פיזיקאים העוסקים בתחום זה הם תאורטיקנים. בפיזיקת אנרגיות גבוהות, המילה תאורטיקן מתייחסת לפיזיקאי תאורטי שמטרתו העיקרית היא לפתח כלים תאורטיים ומתמטיים שעשויים לתאר ולהסביר את המציאות הפיזיקלית - זו שכבר נצפתה וזו שטרם נצפתה. באשר למציאות הפיזיקליים שטרם נצפתה, הפיזיקאי התאורטיקן מנסה לספק ניבויים אשר ניתן (או ניתן יהיה) לבחון אותם בניסוי או בתצפית.

עבור חלק מהתאורטיקנים תיאור המציאות המוכרת נמצא בעדיפות שנייה והם עוסקים ב"גביע הקדוש" של הפיזיקה היינו, פיתוח תאוריית-על שמטרתה לתאר את כל הסקטורים של המציאות הפיזיקאלית באמצעות תאוריה מאוחדת. רוב התאורטיקנים העוסקים באנרגיות גבוהות עובדים על תורת המיתרים. אחרים עובדים על נגזרות או הרחבות של תורת היחסות הכללית בהקשר של תורת איחוד כללית, או על כבידה לולאתית.

תאורטיקנים שמטרתם העיקרית היא להסביר באופן כמותי תוצאות של ניסויים בהווה וניסויים מתוכננים לעתיד הקרוב נקראים פנומנולוגים, או לעיתים גם מרכיבי מודלים. למרות שהם יכולים לקבל השראה מתורת המיתרים (תהא הסיבה לכך אשר תהא), הפורמליזם המתמטי העיקרי שלהם הוא ביצירת תיאורית שדה אפקטיבית. בין התופעות הפיזיקליות האפשריות שהם מנסים ללמוד ניתן למצוא: סימטריית-על, מכניקת היגס, בעיית ההיררכיה, מודלי רנדל-סונדרום ומודלים אחרים עם ממדים נוספים, חבורות סימטריה שונות, ועוד.

החיפוש אחרי חלקיקים אלמנטריים יש בו משום שימוש ב"תערו של אוקאם". במהלך ההתפתחות של פיזיקת החלקיקים היו התנגדויות רבות לגישה רדוקציוניסטית זו, שבה ניסו להסביר את הכל במונחים של חלקיקים יסודיים והתגובות ביניהם. התנגדויות אלו הועלו על ידי אנשים ממגוון רחב של תחומים, הכוללים פיזיקאי חלקיקים מודרניים רבים, פיזיקאים העוסקים בפיזיקת מצב מעובה, כימאים, ביולוגים ועוד. מבקרים אלו טוענים שאפילו ידע מוחלט על החלקיקים הבסיסיים לא ייתן ידע סופי על הטבע.

רדוקציוניסטים טוענים בדרך-כלל כי כל ההתקדמויות שנעשו בתחומי המדע היו תמיד מעורבות ברדוקציוניזם, עד גבול מסוים.

תוצאות ניסויים בפיזיקת חלקיקים מתקבלות תוך שימוש במאיצי חלקיקים עצומים בגודלם, שעלותם גבוהה מאוד. מאיצים אלו דורשים כמויות גדולות של מימון ממשלתי, ומכיוון שכך, מחקרי פיזיקת חלקיקים מערבים נושאים הקשורים למדיניות ציבורית.

רבים טענו שההתקדמויות הפוטנציאליות של פיזיקת החלקיקים אינן מצדיקות את הסכומים הגבוהים, ושלמעשה פיזיקת חלקיקים "לוקחת" כסף ממחקרים חשובים יותר. בשנת 1993, הקונגרס של ארצות הברית הפסיק את בנייתו של מאיץ העל SSC מסיבות אלו, לאחר ששני מיליארד דולר כבר הושקעו בבנייתו. מדענים רבים, תומכים ומתנגדים של ה-SSC, מאמינים שההחלטה להפסיק את בנייתו של ה-SSC הייתה בחלקה בגלל סיומה של המלחמה הקרה, שעד אז הייתה תמריץ להאיץ את המחקר המדעי, מתוקף התחרות עם ברית המועצות.

טיעון נוסף אותו מעלה חלק מהקהילה המדעית הוא שפיזיקת החלקיקים מושפעת בחלקה גם מהזדקנות האוכלוסייה. המחשבה היא שהאוכלוסייה מוטרדת הרבה יותר מנושאים הנוגעים לעתיד הקרוב ולבריאותם ולבריאות הוריהם, ושעובדה זו הסיטה את המימון המדעי מתחומי הפיזיקה לכיוון הביולוגיה והרפואה. בניגוד לכך, מתנגדים רבים מעמידים בסימן שאלה את היכולת של מדינה יחידה לתמוך בהוצאות של פיזיקת החלקיקים, וטוענים שהפסקת הבנייה של ה-SSC נבעה מהצורך במימון בינלאומי בפיזיקת החלקיקים, במקום מימון ממשלתי יחיד.

תומכי מאיצי החלקיקים מחזיקים בעמדה שחקירת התאוריות הבסיסיות ביותר היא מטרה כה חשובה שהיא מצדיקה אפילו מימונים גדולים שכאלו, ושמימון זה תורם לתחומים אחרים של המדע בדרכים שונות. הם מציינים שכל מאיצי החלקיקים בימים אלו הם פרויקטים בינלאומיים ומעמידים בסימן שאלה את הטענה שכספים שיילקחו מפיזיקת החלקיקים באמת יועברו לתחומים מדעיים אחרים.

• פיזיקה אטומית
• חלקיקים תת-אטומיים
• חלקיקים יסודיים
• מיון החלקיקים
• המודל הסטנדרטי

מדיה וקבצים בנושא פיזיקת חלקיקים בוויקישיתוף

• חיים הררי, ‏בנבכי החומר, מחשבות 48, דצמבר 1979, עמ' 58–67
• סידני ד' דראל, ‏אבני היסוד של הטבע, מחשבות 47, מאי 1978, עמ' 3–9
• פיזיקת חלקיקים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• גדעון לב, הויכוח איך למצוא את הפיזיקה החדשה, באתר הארץ, 12 בינואר 2023