האלכימיה של החלקיקים

המלומדים היוונים בעת העתיקה האמינו שכל החומרים בטבע עשויים מאותו מרכיב יסודי. לדוגמה תאלס, הפילוסוף היווני הקדום ביותר שהגותו ידועה לנו, סבר שכל החומר בעולם עשוי ממים. עם הזמן הרעיונות הללו הפכו לבסיס של תורת האלכימיה – תפיסה קדם-מדעית, שגרסה כי אם כל הדברים בעולם מורכבים מאותם חומרים יסודיים, אזי אפשר להפוך חומר אחד לאחר. הפנטזיה של האלכימאים הייתה לקחת חומרים זולים, למשל עופרת, ולהפוך אותם למתכות יקרות כמו זהב.

כמו רעיונות רבים נוספים בהיסטוריה, היום אנחנו יודעים שהייתה מידה מסוימת של אמת באלכימיה: אכן כל החומר שאנו מכירים בחיי היומיום שלנו מורכב מאותם חלקיקים הקרויים אטומים. האטומים מורכבים בתורם מפרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים, ואנחנו גם יודעים שזהות האטום, כלומר התכונות שלו, נקבעת לפי כמות הפרוטונים בגרעין שלו. מכאן עולה השאלה, אם ניקח אטום של חומר אחד ונסיר או נוסיף פרוטון אחד בגרעין שלו, האם הוא ישתנה לחומר אחר?

התשובה היא כן חד-משמעי. זה בדיוק התהליך שמתרחש בליבות הכוכבים ביקום. השמש שלנו, למשל, הופכת כ-600 מיליון טונות של מימן להליום בכל שנייה, על ידי חיבור של שני פרוטונים נפרדים לגרעין משותף אחד. תהליך דומה אך מנוגד באופיו מתרחש גם בהתפרקות רדיואקטיבית. למשל בהתפרקות שקרויה התפרקות אלפא, אטום כבד פולט שני פרוטונים ושני נייטרונים, והופך לאטום קל יותר, שמספרו האטומי נמוך יותר. אחת הדוגמאות המוכרות ביותר להתפרקות אלפא היא ההתפרקות הרדיואקטיבית של אורניום מועשר לתוריום. התפרקות רדיואקטיבית זו נמצאת בליבת המנגנון המשמש לבניית פצצות גרעיניות.

דוגמה נוספת היא התפרקות בטא, שבה נייטרון בגרעין האטום מתפרק לפרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף בשם אנטי-נייטרינו, כך שמתקבל יסוד שמספרו האטומי גבוה יותר. התפרקות כזאת מתרחשת למשל באיזוטופ של פחמן הקרוי פחמן-14, שהופך בעקבות זאת לחנקן-14. ארכיאולוגים מסתייעים בתהליך הזה להערכת גילם של ממצאים מהעבר, באמצעות מדידה שנקראת תארוך פחמן.

אלכימיה מאוחרת

האלכימיה הקלאסית, שהייתה מבוססת על מיסטיקה לא פחות מאשר על תצפיות ובחינה ביקורתית של ממצאים, נפחה את נשמתה עם בוא המהפכה המדעית, והתפתחות הכימיה המודרנית במאה ה-18 סתמה עליה את הגולל באופן סופי ומוחלט. ובכל זאת, בזכות כלים מדעיים שהאלכימיאים הקדומים לא העלו בדעתם, חוקרים מבצעים כיום ניסויים קטנים באלכימיה במאיצי חלקיקים גדולים במיוחד.

במאיץ החלקיקים הגדול (LHC) ב-CERN שליד ז’נבה, מאיצים אטומי עופרת למהירות עצומה, עד כ-99 אחוז ממהירות האור, וגורמים להם להתנגש זה בזה. מעוצמת ההתנגשות נפלטים מהאטומים חלקיקים, ביניהם פרוטונים מהגרעין. וכאמור כשמספר הפרוטונים בגרעין של אטום משתנה, הוא הופך ליסוד אחר. במאמר שהתפרסם במאי האחרון, ומבוסס על מידע שנאסף במאיץ החלקיקים ב-CERN בשנים האחרונות, החוקרים חישבו את תוצאות התהליך הזה.

לדברי החוקרים, בניסויים נצפו כמה מיני התנגשויות. בסוג אחד של התנגשות נפלט פרוטון אחד, כך שאטום העופרת הפך לתליום; בסוג השני נפלטו שני פרוטונים והתקבלה כספית. ולבסוף, בסוג השלישי השתחררו שלושה פרוטונים ונוצרו אטומי זהב – חלומם על האלכימאים עוד מימי יוון העתיקה.

להערכת החוקרים, במשך שלוש וחצי שנים של פעילות במאיץ, נוצרו כך כתשעים מיליארד אטומי זהב. הכמות הזאת שקולה לכמה עשרות טריליוניות הגרם, כלומר מיליונית של מיליונית הגרם. בהתחשב בזה שעלות ההפעלה של מאיץ החלקיקים מוערכת בכמיליארד דולר בשנה, זו כנראה לא עסקה משתלמת במיוחד. מעבר לכך, בגלל האנרגיות הגבוהות שמשתוללות במאיץ במהלך ההתנגשות, האטומים החדשים לא שורדים זמן רב, ומתפרקים בתוך מיליונית השנייה.

המחקר החדש חושף תהליכים שקורים בשולי המחקר המדעי השוטף במאיץ החלקיקים. בנוסף, הממצאים יוכלו לעזור בשיפור תפקודו של מאיץ החלקיקים על ידי אפיון מעמיק של ההתנגשויות ותוצאותיהן. לדברי החוקרים, מרבית התוצרים של התהליכים הללו לא נקלטים בחיישנים שפועלים במאיץ החלקיקים, כך שבדרך כלל הם מתועדים רק בתור אובדן אנרגיה בתהליך ההתנגשות. בסוף הניסוי אפשר לחשב את האנרגיה הכוללת של החלקיקים שנמדדו בגלאים ולהשוות אותה לאנרגיה של החלקיקים שהואצו בניסוי. חלק מהפער יהיה אפשר לייחס להתפרקויות גרעיניות כמו אלה שנותחו במחקר הנוכחי. שיפור ההבנה של תהליכי ההמרה הללו יעזור להבין את תוצרי הניסויים במאיץ, ואף ללמוד מהם איך לשפר את איכותם של ניסויים אחרים במאיץ.