תחילת המאה העשרים הייתה תקופה מסעירה בתולדות הפיסיקה. בתקופה זו התגבשו שתי תיאוריות מהפכניות: תורת הקוונטים, שמתארת את חוקי הטבע בקנה מידה קטן מאוד, ותורת היחסות, שמתארת את חוקי הטבע במהירויות גבוהות מאוד. הנתק בין התורות האלו השאיר אותנו ללא תיאור טוב של דברים שהם גם מאוד קטנים וגם מאוד מהירים, ובפרט חלקיקים.
 
הפיזיקאי האנגלי פול דיראק שפעל באותה תקופה היה שילוב מהלך בין גאונות למוזרות. למזלנו, דיראק היה הרבה יותר גאון מאשר שהיה מוזר. דיראק לקח על עצמו אתגר לא פשוט - הוא רצה למצוא את הדרך לחבר את תורת הקוונטים לתורת היחסות ולמצוא את הדרך הנכונה לתאר אלקטרונים. כל הנסיונות הקודמים לעשות כן העלו חרס, אבל דיראק היה גאון מתמטי והצליח לרשום את המשוואה שתעשה את החיבור הנדרש.
משוואת דיראק מגלמת בשבילי את הזוגיות המופלאה והבלתי מוסברת בין מתמטיקה לפיסיקה. ראשית, דיראק הפיזיקאי דרש גם קוונטים וגם יחסות. המתמטיקה השיבה לו: גם קוונטים וגם יחסות? יש לי רק משוואה אחת אפשרית להציע לך. מדוע שהמתמטיקה לא תציע אלף אפשרויות והטבע ייבחר באחת? פלא של ממש.
שנית, דיראק רצה לתאר את מה שהכיר, האלקטרון. המתמטיקה השיבה לו: למשוואה הזו יש שני פתרונות. האחד מתאים לאלקטרון שרצית, אבל השני מתאים לחלקיק אחר שמסתו שווה לזו של האלקטרון ומטענו החשמלי הפוך. חלקיק זה הוא מעין תאום לא זהה של האלקטרון; תמונת מראה שלו. לתאומי המראה האלה קוראים הפיזיקאים אנטי-חלקיקים. דיראק לא הזמין את הפתרון הזה. נהפוך הוא: הוא ידע שחלקיק כזה לא נצפה מעולם, והיה מוטרד מאוד מכך. הוא ניסה לשנות את המשוואה, אבל המתמטיקה התעקשה על האנטי-אלקטרון ולא ויתרה.
באותה תקופה פעל בארצות הברית פיסיקאי חכם נוסף, רוברט אופנהיימר, שהתפרסם מאוחר יותר כשהוביל את פרויקט מנהטן לפיתוח הפצצה האטומית. לדיראק הייתה ביקורת על אופנהיימר, בגלל שהיה אוהב שירה. דיראק אמר שתפקיד המדע הוא לקחת תופעות מסובכות ובלתי מובנות, ולרשום משוואות פשוטות שיסבירו אותן. השירה, לעומת זאת, לוקחת דברים שכולנו מבינים, ומתארת אותם במילים מסובכות כך שלא נבין דבר. מדע ושירה לא הולכים ביחד, כך סבר דיראק.
למרות הביקורת שלו על דיראק, עזר אופנהיימר באופן משמעותי לתרגם את המתמטיקה של האנטי-חומר לממשות. בהסתמך על המשוואה, הוא הבין שאפשר לקחת קרינה טהורה וליצור ממנה זוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק: אלקטרון ואנטי-אלקטרון, פרוטון ואנטי-פרוטון. באופן הפוך, אם אלקטרון ואנטי-אלקטרון מתנגשים, ייעלמו שניהם ויהפכו לקרינה טהורה. התובנה הזאת הובילה מהר לניסויים שבהם הצליחו לייצר אנטי-אלקטרונים. המתמטיקה של דיראק הובילה לגילוי של יצורים חדשים, האנטי-חלקיקים. כיום, האנטי-אלקטרונים משמשים אפילו ברפואה, בטכניקה שנקראת טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (Positron emission tomography, או בקיצור PET scan).
אבל כאן נולדה גם תעלומת האנטי-חומר החסר. אם חלקיקים ואנטי-חלקיקים נולדים בזוגות, ונעלמים בזוגות, מדוע יש ביקום שלנו רק חומר ואין אנטי-חומר? תארו לכם שהיינו יודעים שבני אדם היו נולדים בזוגות, תאום ותאום-מראה, אבל בין הבוגרים היינו מוצאים רק אחד מכל זוג תאומים. כך הוא גם היקום. כל המבנים ביקום – הגלקסיות, הכוכבים, כדור הארץ, אתם ואני, עשויים חומר ולא אנטי-חומר. אין אנטי-גלקסיות, אנטי-כוכבים, אנטי-בני-אדם, לפחות לא במובן שהפיסיקה מייחסת למונח... לאן נעלם האנטי-חומר?
מאז שנולדה תעלומת האנטי-חומר החסר, לפני כתשעים שנה, חלו התפתחויות רבות בנושא. באמצעות ניסויים הצלחנו להבין מדוע היקום שלנו, שהתחיל את דרכו במפץ הגדול עם חומר ואנטי-חומר, הגיע למצבו הנוכחי, שבו האנטי-חומר נעלם. אלא שהמודל הסטנדרטי של תורת החלקיקים, שמתאר בצורה יפהפייה את כל החלקיקים והכוחות המוכרים לנו, טוען שיחד עם היעלמות האנטי-חומר מן היקום, היה צריך גם להיעלם כמעט כל החומר.
התורה הזאת מנבאת שכמות החומר שאמורה הייתה לשרוד ביקום לא מספיקה כדי ליצור אפילו גלקסיה אחת: יקום ללא כוכבים, כדור הארץ - ואפילו בלעדיכם ובלעדי. תעלומת המחסור באנטי חומר הפכה לתעלומת ההישרדות של החומר. הקהילייה המדעית, שאני חלק ממנה, עסוקה במאמצים תיאורטיים וניסיוניים לפתור את התעלומה. עיקר המאמצים מתמקדים בשני כיוונים.
הכיוון הראשון בודק את האפשרות שהאירועים שהובילו להישרדות החומר והיעלמות האנטי-חומר קרו כביליונית שנייה אחרי המפץ הגדול, וקשורים באופן חזק לחלקיק ההיגס. הניסויים במעבדת סרן עשויים לאפשר לנו לגלות חלקיקים יסודיים או כוחות בסיסיים שעדיין אינם מוכרים לנו ואשר שיחקו תפקיד בהעדפת החומר על פני האנטי-חומר. התיאוריות שהוצעו מסובכות למדי, אבל ניתן להפריך או לאשש אותן בניסוי.
הכיוון השני משער שהאירועים הרלוונטיים קרו הרבה לפני כן, אולי טריליונית של טריליונית של שנייה אחרי המפץ הגדול, וקשורים לחלקיקים הקרויים חלקיקי נייטרינו. התאוריות שהוצעו פשוטות וכמעט אינן דורשות מרכיבים חדשים מעבר למודל הקיים. אבל הבחינה הניסויית הישירה של תורות אלה אינה אפשרית. המאמץ הניסויי מתרכז במדידת תכונות של חלקיקי הנייטרינו שייתנו עדות תומכת לסבירות של תורות אלה. האם התעלומה תפוענח או תישאר בחזקת חידה בלתי פתורה? ימים יגידו.
מאת יוסי ניר, פרופסור במחלקה לפיסיקה של חלקיקים, מכון ויצמן למדע.
 

הרחבות וקריאה נוספת:

1. סרטון הסבר על אנטי-חומר והבעיה.
2. סקירה של הבעיה באתר של CERN.
3. מאמר סקירה (זהירות - PDF).