המאיץ בשווייץ - האם זה מסוכן?

בתגובה לפוסט הקודם אודות חורים שחורים נשאלתי אם יכולים להיווצר במאיץ LHC חורים שחורים שיסכנו את כדור הארץ. זו שאלה מעניינת שזכתה לתשומת לב בדיווחים בתקשורת אודות הפעלת המאיץ, ובמידה מסוימת אפילו תרמה לעניין הציבורי בניסוי. ראשית יש לומר שמאיץ LHC אכן יכול להפוך ל"בית חרושת" לחורים שחורים זעירים (קרויים גם חורים שחורים מיניאטוריים או חורים שחורים קוונטיים), שגודלם קטן פי עשרת אלפים לערך מגודלו של פרוטון, אבל רק בתנאי שהתאוריה החוזה את קיומם של חורים שחורים כה קטנים אכן נכונה. יש לציין שכיום אין ראיות לנכונותה של תאוריה זו (תאוריה של ממדים נוספים גדולים - Large Extra Dimensions). אחד הניבויים של התאוריה נוגע למסה המינימלית של חורים שחורים. גודלה, על פי הוגי התאוריה, נמוך באופן משמעותי ממה שחשבנו עד כה, ואם אכן כך הדבר אז ייתכן שהאנרגיה במאיץ LHC תספיק ליצירת חורים שחורים זעירים. אנרגיה שקולה למסה, ולכן האנרגיה בהתנגשויות הפרוטונים במאיץ יכולה להפוך למסה של חלקיק חדש, ולצורך העניין של חור שחור.

שאלת הסיכונים סקרנה אותי עוד כשהתחלתי את המחקר שלי במכון ויצמן אודות אפשרות יצירת חורים שחורים במאיץ LHC, אבל התעמקתי בה ברצינות רק כשכתבתי מאמר לגליליאו על אודות חורים שחורים זעירים. הסוגיה נדונה גם בבתי משפט, שהתקשו לגבש עמדה בנושא. התקשורת העולמית כמעט שלא ניתחה את הנושא ברצינות, ובמקרה מצער אחד ידוע שהדיווחים הדרמטיים גרמו לילדה בהודו לשלוח יד בנפשה. הסיכום הטוב ביותר של החששות מפני הפעלת המאיץ נמצא באתר אינטרנט ותיק שמציג את הטענות בצורה עניינית והוגנת. זה המקום להעיר שהמאיץ החל לעבוד ב-2008, אבל תקלה חמורה גרמה להשבתתו לשנה לפחות, כך שהתנגשויות בין פרוטונים טרם נערכו, כלומר חורים שחורים זעירים טרם נוצרו בניסוי. הניסוי עצמו צפוי להימשך שש שנים לפחות.

בחזרה לשאלה המקורית: האם זה מסוכן?
התשובה היא כן! אבל רק אם החורים השחורים יציבים.
חור שחור יציב שייווצר במהירות נמוכה מאוד עלול להיעצר ולנוע לאיטו למרכז כדור הארץ. שם הוא יתחיל לצבור מסה באיטיות. הכבידה היא כוח חלש ועל כן יעבור זמן רב (סדר גודל של מאות שנים או יותר) עד שהחור השחור יגיע לגודל של עשרות קילומטרים ויתחיל להוות סכנה לכדור הארץ. אם הוא יציב, התסריט המפחיד הזה יתרחש בסופו של דבר. יש להעיר שאם אכן ייווצרו חורים שחורים זעירים במאיץ, הרי שברוב ההתנגשויות המהירות שלהם תהיה גדולה והם לא ייעצרו בכדור הארץ. אולם, מהירות זו היא גודל אקראי שאינו ניתן לקביעה מראש, ולכן בחלק קטן מההתנגשויות היא תהיה נמוכה דיה ואפילו אפסית.

ובכל זאת, קיים קונצנזוס בקרב המדענים על כך שאין סכנה בהפעלת המאיץ. המסקנה מבוססת על מחקר תאורטי שערכה קבוצת פיזיקאים מוכרים ומובילים בעולם. קיימים שלושה טיעונים מרכזיים לכך שחורים שחורים זעירים הם קצרי חיים:

1. חורים שחורים דועכים באמצעות קרינת הוקינג-בקנשטיין. קרינה זו טרם נצפתה, אבל התחזית בדבר קיומה מבוססת על תורת הקוונטים (ליתר דיוק: תורת השדות הקוונטיים), תורה מדויקת להפליא, שטרם נכשלה באף ניסוי. הפיתוח של הוקינג ובקנשטיין מאפשר את קביעת עצמת הקרינה בתלות בגודל החור השחור. העצמה גדלה ככל שהחור השחור קטן יותר, ועבור חורים שחורים זעירים, קטנים מגודלו של פרוטון, היא צפויה לגרום להתפרקותם המיידית תוך חלקיק שנייה. חורים שחורים בגודל כוכב, לעומת זאת, פולטים קרינה חלשה מאוד, ולכן קשה כל כך לגלות אותה באמצעים אסטרונומיים. כזכור, חורים שחורים זעירים הם עצמים היפותטיים שטרם נצפו מעולם, ולכן גם התחזיות לגבי קיומה של קרינת הוקינג טרם זכו לאישוש ישיר.
   
2. האנרגיה של ההתנגשויות במאיץ LHC תהיה גדולה מזו שנוצרה בניסויים קודמים, אבל קרינה קוסמית שפוגעת בכדור הארץ באופן קבוע מכילה חלקיקים שחלקם הרבה יותר אנרגטיים. אם האנרגיה במאיץ LHC תספיק ליצירת חורים שחורים זעירים, קל וחומר שהם נוצרים כל הזמן כתוצאה מפגיעת הקרינה הקוסמית באטמוספירת כדור הארץ. יש לציין שמהירותם של חורים שחורים זעירים שנוצרים על ידי קרינה קוסמית תמיד גבוהה, וזאת בניגוד לחורים שחורים זעירים שנוצרים במאיצי חלקיקים. בכל מקרה, ניתן להעריך את מידת יציבותם של החורים השחורים שנוצרים על ידי קרינה קוסמית. אם החורים השחורים טעונים במטען חשמלי הם ייעצרו על ידי כדור הארץ כתוצאה מהאינטראקציה החשמלית החזקה. עצם קיומנו מוכיח בוודאות שכדור הארץ שרד, כלומר חורים שחורים כאלו, אם הם קיימים, בהכרח אינם יציבים. לעומת זאת, חורים שחורים לא טעונים מהירים לא ייעצרו על ידי כדור הארץ ויחלפו דרכו. מצד שני, גופים דחוסים יותר, דוגמת ננסים לבנים וכוכבי נייטרונים, אמורים לעצור גם חורים שחורים זעירים לא טעונים. ניתן להעריך את אורך חייהם של כוכבים כאלו על סמך תצפיות, וברור שגם הם שרדו זמן רב ולא התפרקו על ידי חור שחור שהתיישב בתוכם. אם כך, גם חורים שחורים לא טעונים הם ככל הנראה עצמים לא יציבים.
3. בפיזיקה מודרנית קיים כלל שאומר כי כל תהליך שאינו סותר חוק שימור - יתרחש. ידוע לנו שאין חוק שימור של מספר החורים השחורים, משום שבעת קריסת כוכב מסיבי בסוף חייו נוצר חור שחור אחד מאפס חורים שחורים. אם כך, חור שחור צפוי גם להתפרק. ניתן לחשב את קצב ההתפרקות על ידי השוואה לעצמים אחרים בעלי מסה קרובה שאינם "מוגנים" על ידי חוקי שימור. בדרך זו ניתן להעריך שאורך חייהם עומד על חלקיק שנייה בלבד, אורך זמן שבמהלכו הם לא יצליחו לגרום לנזק כלשהו.