CERN מחפשת טכנולוגיות ישראליות למאיץ חלקיקים חדש

23 ינואר, 2017

בשבועות הקרובים ייצאו המכרזים הראשונים לשדרוג מאיץ החלקיקים. "יש בישראל טכנולוגיות רבות שאנחנו זקוקים להן", אמרה ל-Techtime מנהלת הפעילות הבינלאומית

Share via Whatsapp

מכון המחקר האירופי CERN, המפעיל ליד ג'נבה בשווייץ את מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם, מחפש טכנולוגיות ישראליות עבור השלב הבא בהתפתחותו. כך נודע ל-Techtime  במהלך סיור שנערך בשבוע שעבר במאיץ החלקיקים הענק.

מדינת ישראל הצטרפה ל-CERN בשנת 2014. עד אז היא הייתה חברה משקיפה עם זכויות חלקיות. החל משנת 2014 היא שותפה מלאה בגוף המחקר, מעמד המעניק לה זכות הצבעה, גישה אל כל הממצאים מדעיים, קניין רוחני בכל התחומים שפותח בסרן ואפשרות רבות מאוד בהתמודדות על מכרזים של סרן. כאן חשים בג'נבה את חסרונה של ישראל.

"בישראל פותחו טכנולוגיות ששימוש בבניית גלאי החלקיקים הגדול ביותר בעולם, אטלס", הסבירה מנהלת אגף התיאום בין כל המדינות החברות ב-CERN, ד"ר פיפה וולס. הדבר כולל טכנולוגיות בקרת ואיסוף נתונים שפותחו על-ידי מוסדות המחקר הישראלים. כך למשל מערכת הבקרה שלנו (DCS) והתוכנה המאפשרת לשחזר את מסלול החלקיקים על-פי המידע המגיע ממיליוני חיישנים שונים והפצת המידע ברשת מחשבים מהירה (GRID), פותחו בישראל.

ד"ר פיפה ולס. "אנחנו זקוקים לטכנולוגיה ישראלית"

"בהשוואה למספר הישראלים המשתתפים בפעילות שלנו, זהו הישג גדול מאוד. בישראל קיימת גם אוכלוסייה גדולה מאוד של פיסיקאים תיאורטיקנים שהיו אחראים על אטלס בעת גילוי החלקיק היגס בשנת 2012 (על-כך בהמשך)".

אלקטרוניקה אולטרא-מהירה

"הגענו למסקנה שאנחנו רוצים הרבה יותר ישראלים בסרן. אנחנו רוצים שהם יתחרו גם על משרות טכניות שאינן משרות מדעיות. אנחנו רוצים טכנאים ומהנדסי אלקטרוניקה ישראלים. אנחנו בונים את התשתיות הטכנולוגיות המתקדמות ביותר בעולם, ולכן יש כאן הזדמנויות עצומות בתחומים כמו מכשור אלקטרוני מיוחד, חומרים מיוחדים, מוליכי-על, חיישנים מאוד מורכבים ומיוחדים, אלקטרוניקה בהספק גדול מאוד לקבלת החלטות בזמן אמת ומערכות אלקטרוניקה העובדות במהירויות יוצאות דופן".

פיפה אמרה ש-CERN מבקשת מאנשי טכנולוגיה ישראלים להיות מודעים להצעות העבודה המתפרסמות בכתובת jobs.web.cern.ch. התיזמון הוא מיוחד במינו: "אנחנו נכנסים לשלב חדש בהיסטוריה של מאיץ החלקיקים: בקרוב תתחיל עבודת שדרוג משמעותית מאוד. המטרה שלנו היא להגדיל פי 10 את מספר ההתנגשויות של חלקיקים תת אטומיים.

"בשבועות הקרובים יתחילו להתפרסם המכרזים לקבלת הצעות מחברות טכנולוגיה באירופה, כדי שנוכל להפעיל אותו במתכונת החדשה בשנת 2025. בתעשיית ההייטק הישראלית יש הרבה מאוד טכנולוגיות שיכולות לסייע לסרן, ולכן אנחנו רוצים שהתעשייה הישראלית תהייה קשובה לפרסומים, תגיב למכרזים ותתמודד עליהם".

ספינת הדגל של המדע העולמי

מכון סרן הוא גוף יוצא דופן: הוא החל את דרכו כמעבדה צרפתית לחקר החלקיקים האלמנטריים, ובשנת 1954 הפך למכון מחקר של האיחוד האירופי. כיום הוא נמצא בבעלות 22 מדינות (כולל ישראל משנת 2014) המנהלות אותו במשותף. במובנים רבים, זוהי אוטופיה של מדע שיתופי. כיום סרן מפעיל את מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם, המאפשר למדענים במדינות החברות לחקור את הנושאים החשובים ביותר בפיסיקה המודרנית.

ייצוג תוצאת הניסוי שהוכיחה את קיומו של חלקיק היגס

מעבדת הפיסיקה העצומה הזו מופעלת על-ידי צוות מקצועי של 2,300 מהנדסים, טכנאים ומדענים. המחקרים מבוצעים על-ידי 12,800 מדענים ברחבי העולם. כיום משתתפים במחקרים בסרן קרוב ל-80 מדענים מהטכניון, אוניברסיטת תל-אביב ומכון וייצמן למדע.

ליבת הפעילות מתבצעת סביב מאיץ החלקיקים. המאיץ מניע שתי קבוצות של פרוטונים במסלול מעגלי במהירות גבוהה מאוד המתקרבת למהירות האור ובכיוונים הפוכים. לאחר שהם צוברים את המהירות הדרושה, ויש להם אנרגיה גבוהה מאוד, הם מכוונים למסלול התנגשות בתוך הגלאים המצויים בארבע נקודות מסביב למסלול ההאצה.

בחלק קטן מאוד מהמקרים מתבצעת ישירה של שני פרוטונים הנעים במסלולים הפוכים. זהו האובייקט הנמדד: ההתנגשות משחררת כמויות עצומות של אנרגיה, המתבטאות בתופעות פיסיקליות רבות, כמו קרינה מסוגים שונים, הופעת חלקיקים אלמנטריים חדשים ועוד.

ההאצה נעשית בוואקום קיצוני במסלול מעגלי בקוטר של 27 ק"מ העובר 100 מטר מתחת לפני הקרקע בשטחי שווייץ וצרפת. סלילים אלקטרו-מגנטיים ממוליכי-על המקוררים לטמפרטורה של מעלת קלווין אחת, מאיצים קבוצות של פרוטונים (היוצאים ממיכל הליום קטנטן)  ומביאים אותם למהירות עצומה, כדי לייצר התנגשות עתירת אנרגיה.

המשימה הקריטית של רכיבי FPGA

הגלאים הינם מתקנים הכוללים כמה מיליוני חיישנים בטכנולוגיות שונות. הם ממוקמים מסביב לאתר ההתנגשות במטרה ללכוד את כל תוצרי ההתנגשויות, לתעד אותן, לאפיין אותן ולשלוח את המידע אל חוות השרתים הגדולה של CER. משם הם מופצים לכל המדענים בעולם המשתתפים במחקרי המכון.

כאשר המאיץ עובד, הוא מבצע 100 מיליון התנגשויות בשנייה. הנתונים מכל התנגשות נאספים, עוברים ניתוח ראשוני באמצעות מערך של כמה אלפי רכיבי FPGA. רכיבים אלה מפעילים אלגוריתם זמן אמת הבודק את כל החיישנים ומשחזר את מסלולי החלקיקים שנוצרו בהתנגשות. במקביל, האלגוריתם גם בודק אם מדובר באירוע בעל עניין מדעי. אם כן, המידע מועבר לבסיס הנתונים של סרן ברשת תקשורת אופטית מהירה, ושם עובר ניתוח מעמיק יותר. אם האירוע מוגדר כלא מעניין, המידע נמחק, כדי לא להעמיס את רשת התקשורת וחוות השרתים בעומס מיותר.

טכנולוגיה קיצונית בשירות מדע קיצוני

גלאי אטלס. מיליוני חיישנים במבנה בקוטר של 25 מטר. הטכנולוגיה הישראלית מילאה תפקיד מרכז בגילוי חלקיקי היגס

המחקר הפיסיקלי הנעשה באתר חוקר את גבולות הידע, ולכן פועל בתנאי קיצון מיוחדים במינם. הפרוטונים מקוררים לטמפרטורה של 0.1 מעלת קלווין בלבד.

הסליל האלקטרומגנטי בגלאי CMS ו-ATLAS, משמש למדידת מהירות חלקיקים על ידי עיקום מסלולם. זהו הסליל הגדול ביותר בעולם העשוי מעל-מוליך: הוא שוקל 105 טון, ושקוע במיכל של הליום נוזלי כדי לשמור על טמפרטורה קבועה של 2 מעלות קלווין. בזמן הפעלת המאיץ, הסליל מייצר זרם של 18,000 אמפר ושדה מגנטי בעוצמה של 3.8 טסלה. למעשה, השדה המגנטי שלו כל-כך חזק שהוא מעוות את המבנה של הגלאי, ודורש כיוונון רציף של 16,000 חלקים מכניים נעים המצויים במתקן.

הגלאי כולו, מכיל כ-18 מיליון חיישנים מסוגים שונים, המאורגנים מסביב לאתר ההתנגשות בתוך גליל מתכת מאסיבי בקוטר של 25 מטר ובאורך של 46 מטר. רק תשתית קיצונית מסוג כזה איפשרה למדעני סרן לבצע את הגילוי החשוב ביותר של המכון עד היום: גילוי החלקיק היגס (Higgs).

חלקיקי היגס הוא חלקיק בעל אורך חיים קצר ביותר, שחשיבותו בכך שהוא מוכיח את קיומו של שדה בעל קרינת היגס, שעל-פי התאוריה אחראית למסה של החלקיקים האלמנטריים. החלקיק התגלה בשני הגלאים המרכזיים של סרן (CMS, ATLAS) בשנת 2012. הגילוי נתן את ההוכחה המעשית לתאוריית קיומו של שדה היגס.

מרכיב מרכזי בהוכחה היה היכולת לגלות מיואונים, שהם חלקיקים הנוצרים בעת התנגשות של פרוטונים. אחד מהנדבכים המרכזים בגלאי ATLAS הוא מערך של גלאים לזיהוי מיואונים שפותחו ונבנו בארץ באוניברסיטת תל-אביב, בטכניון ובמכון וייצמן למדע. הגלאים הישראלים מילאו תפקיד חיוני בגילוי חלקיקי היגס.

היכן מסתתר האנטי-חומר?

כיום מבצעים בסרן ניסויים לא פחות אקזוטיים. במסגרת פרוייקט ELENA המדענים מייצרים כיום אנטי-פרוטונים. מדובר בסוגייה מסתורית: על-פי התאוריה הנוכחית של מבנהה החומר (הקרויה "המודל הסטנדרטי"), לכל חלקיק קיים אנטי-חלקיק, שהוא בעל תכונות זהות אך בעל מטען הפוך. אלא שבניגוד לתיאוריה, קשה מאוד למצוא בטבע אנטי-חומר. החוקרים הצליחו לייצר אטומי אנטי-מימן וללכוד אותם במלכודות מגנטיות.

סלילי האצת פרוטונים. היכן מסתתר האנטי-חומר?

כעת הם עסוקים בבניית מאיץ חדש במסגרת פרוייקט אלנה: זהו מאיץ קטן בקוטר של 188 מטר שיאפשר להאיץ קבוצות של 10 מיליון אנטי-פרוטונים בכל 10 שניות. בניית המאיץ תושלם עד לשנת 2019, ואז תתחיל סדרת מחקרים שתתמקד בשתי שאלות מרכזיות: הראשונה היא בדיקה כיצד אנטי-חומר מגיב לגרוויטציה והאם היא משפיעה עליו באופן שונה מאשר על חומר מוכר. הם גם ינסו למצוא תשובה לשאלה המסקרנת יותר: מדוע קשה למצוא אנטי-חומר בטבע? מדוע אין כוכבים, פלנטות וצבירים שלמים הבנויים מאנטי-חומר?

ג'ספר קרבי. אטמוספירה בתנאי מעבדה

הקרינה הקוסמית מייצרת גשם

מה עושים כאשר מסתיים המחקר במאיץ חלקיקים מיושן משנות ה-60? פרוייקט CLOUD מנצל אותו כדי לחקור את האטמוספירה. מדובר אולי באחד מהניסויים המפתיעים ביותר המתבצעים כיום ב-CERN. במהלך הביקור נפגש Techtime עם פרופ' ג'ספר קרבי, שהצליח לעשות את הבלתי-אפשרי: לשכנע את הנהלת המכון לבצע מחקרים בתחומי האטמוספירה. המטרה היא ללמוד מהי השפעת הקרינה הקוסמית וקרינת השמש על היווצרות עננים, כדי לשפר את יכולת החיזוי של שינויים אקלימיים.

במסגרת הניסוי נבנה תא אטום בקוטר של 3 מטרים ובגובה של 4.5מטרים, שבו החוקרים משחזרים מייצרים מודל מעבדתי של האטמוספירה, ומפציצים אותו בפרוטונים המייצרים קרינה מייננת זהה לקרינה הקוסמית הפוגעת באטמוספירה. במקביל, מקורות UV חזקים מייצגים את קרינת השמש. קרבי: "מאז שהתחלנו את המחקרים בשנת 2009 התגלו תופעות רבות. הצלחנו להראות כיצד הקרינה הקוסמית משפיעה על מולקולות אורגניות המגיעות מהקרקע, וגורמת להן להיקשר אחת לשנייה ולהגיע לגודל קריטי שהופך אותם לגרעיני התעבות המייצרים את ענני הגשם.

"הצלחנו לייצר מודל של ייצור עננים לפני המהפיכה התעשיתית, שייאפשר לנו להבין כיצד התיעוש משפיע על התחממות כדור הארץ. כיום אנחנו מאמינים שלארועים גדולים בחלל החיצון יש השפעה על האקלים שלנו. כעת אנחנו בודקים האם ארועים כמו התפוצצות כוכב (סופר-נובה), מביאים להתחממות קצרת טווח שלך כדור הארץ".

גם מאוחרי הניסוי המטאורולוגי היחיד המתבצע ב-CERN, ניתן למצוא טכנולוגיה ישראלית מיוחדת. קרבי: "יש לנו מכשיר מיוחד שפותח בישראל, המאפשר לנו לייצר מים מחמצן ומימן באמצעות תהליך בעירה מיוחד במינו. בלעדיו לא היינו יכולים לבצע את המחקר, מכיוון שאנחנו זקוקים לבקרה מוחלטת של כל מרכיבי הניסוי".

פורסם בקטגוריות: חדשות , מדע