ידענים: פיסיקה קוונטית

מאת 15 בספטמבר 2013 5 תגובות

חלקיקי ניטרינו, היצורים המוזרים ביותר בגן החיות של החלקיקים, עשויים בקרוב לפרוץ דרך אל עבר מחוזות לא נודעים של הפיזיקה

שדה היגס. איור: shutterstock

שדה היגס. איור: shutterstock

מעטים הפיזיקאים שזכו להביא לעולם חלקיק יסודי חדש. ואולם, כשעלה הרעיון בראשו של וולפגנג פאולי ב-1930, כרסמו בו דאגות שמיתנו את תגובתו. "עשיתי דבר נורא," אמר פאולי לימים לעמיתיו. "העליתי השערה בדבר חלקיק שאי אפשר לגלות."

הניטרינו הוא אכן חמקמק: תכונותיו מאפשרות לו לחדור כרוח רפאים דרך כמעט כל המחסומים הפיזיקליים, ובכללם גם החומרים שבהם משתמשים פיזיקאים בגלאי החלקיקים שלהם. למעשה, רוב חלקיקי הניטרינו שמגיעים מן החלל אל כדור הארץ חולפים דרכו באופן חלק בלי שאפילו יתחככו קלות בשום חלקיק אחר. אבל התברר שחששותיו של פאולי היו מוגזמים במקצת: אפשר לגלות חלקיקי ניטרינו, אף שלשם כך יש צורך להשקיע מאמצים כבירים וגאונות בתכנון הניסויים.

חלקיקי הניטרינו הם המוזרים ביותר מבין חלקיקי היסוד גם מבחינות אחרות. אין הם מרכיבים אטומים ואין להם שום קשר לכימיה. הם ניטרליים מבחינה חשמלית. הם קלים להפליא, פחות ממיליונית המסה של רכיב החומר הקל ביותר מלבדם, האלקטרון. וכמו כן, חלקיקי ניטרינו, יותר מחלקיקים אחרים, פושטים צורה ולובשים צורה: כל אחד משלושת סוגי הניטרינו, המכונים "טעמים", יכול להפוך לסוג אחר.

כבר יותר מ-80 שנה שהחלקיקים הזעירים האלה אינם חדלים מלהדהים את הפיזיקאים. אפילו היום נותרו שאלות יסוד בדבר חלקיקי הניטרינו שאין להן עדיין מענה: האם קיימים רק שלושה טעמים של חלקיקי ניטרינו, או שמא יש עוד? מדוע כל חלקיקי הניטרינו קלים כל כך? האם יש לחלקיקי ניטרינו בני זוג אנטי-חומריים? מדוע חלקיקי ניטרינו מחליפים את דמותם בקצב נמרץ ומסחרר כל כך?

במאיצי חלקיקים, בכורים גרעיניים ובפירי מכרות נטושים ברחבי העולם מתחילים לפעול ניסויים חדשים שיכולים לטפל בשאלות האלה. התשובות שמגיעות מהם אמורות לספק רמזים חיוניים למנגנוניו הפנימיים של הטבע.

המוזרויות של הניטרינו הופכות אותו למגדלור המדריך פיזיקאי חלקיקים במסעם המפרך לקראת אותה תיאוריה מאוחדת גדולה, המתארת את כל החלקיקים ואת כל הכוחות, למעט הכבידה, בתוך מסגרת מתמטית עקיבה. המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, התיאוריה הטובה ביותר של חלקיקים וכוחות נכון להיום, אינה מסוגלת להכיל את כל המורכבויות של הניטרינו. יש צורך להרחיבה.

קליל וטעים

הדרך הנפוצה ביותר לפתח את חלקו של הניטרינו במודל הסטנדרטי היא להציג ישויות חדשות המכונות חלקיקי ניטרינו ימניים. התכונה המכונה ימניוּת או שמאליוּת היא מקבילה מסוימת למטען חשמלי. היא קובעת אם החלקיק יגיב עם הכוח החלש, האחראי על התפרקות רדיואקטיבית: חלקיק חייב להיות שמאלי כדי להרגיש את הכוח החלש. אותם חלקיקים ימניים משוערים יהיו אפוא עוד יותר חמקמקים מאשר רעיהם השמאליים, אותם חלקיקי ניטרינו של המודל הסטנדרטי, שקיומם הוכח בניסויים. כל חלקיקי הניטרינו מסווגים כ"לפטונים", המשפחה המורחבת של חלקיקים הכוללת בין השאר את האלקטרונים, ומשמעות הדבר היא שהם אינם מרגישים את הכוח החזק המצמיד את הפרוטונים ואת הנויטרונים זה לזה בתוך גרעין האטום. כמו כן, בהיעדר מטען חשמלי, חלקיקי הניטרינו אינם מרגישים באופן ישיר גם את הכוחות האלקטרומגנטיים. כך נותרו רק כוח הכבידה והכוח החלש בעבור שלושת טעמי הניטרינו הידועים, אך ניטרינו ימני יהיה בלתי חדיר אפילו לגבי הכוח החלש.

אם קיימים חלקיקי ניטרינו ימניים, הם יספקו הסבר מתקבל מאוד על הדעת לחידת ניטרינו נוספת: הסיבה שלכל שלושת הסוגים השמאליים, ניטרינו אלקטרוני, ניטרינו מיואוני וניטרינו טאואוני, יש מסות זעירות כל כך.

רוב החלקיקים האלמנטריים משיגים את המסה שלהם באמצעות אינטראקציה עם שדה היגס השורר בכל המרחב. (היגס נעשה מותג בשנה שעברה כשפיזיקאים במאיץ ההדרונים הגדול, LHC, במעבדת CERN שעל יד ז'נבה הכריזו שזיהו חלקיק חדש, המתאים לתיאור של בוזון היגס שזמן רב כל כך עמלים על גילויו. הבוזון הזה הוא בן הלוויה החלקיקי של שדה היגס, ממש כפי שהפוטון הוא בן הלוויה של השדה האלקטרומגנטי.) בתהליך הזה, שדה היגס מסלק מן החלקיקים את מקבילת הכוח החלש למטען חשמלי. מכיוון שלחלקיקי ניטרינו ימניים אין מטען כזה, המסה שלהם אינה מסתמכת על שדה היגס. ייתכן שהיא מתהווה מתוך מנגנון אחר לגמרי באנרגיות הגבוהות להפליא של האיחוד הגדול (אנרגיה גבוהה מאוד שבה, על פי תיאוריות מסוימות, כל הכוחות למעט כוח הכבידה מתאחדים לכוח אחד). במקרה כזה, הניטרינו הימני יהיה כבד להחריד.

אפקטים קוונטיים יכולים לקשר בין חלקיקי ניטרינו ימניים אל אחיהם השמאליים באופן שיגרום למסה העצומה של האחד "לזהם" את האחר. ואולם, ההדבקה הזאת תהיה חלשה מאוד, בהשאלה, אם הניטרינו הימני ייפול למשכב עם דלקת ריאות, השמאלי יחטוף רק הצטננות קלה, ומשמעות הדבר היא שהמסה של השמאלי תהיה זעירה עד מאוד. הקשר הזה מכונה מנגנון נד-נד, מכיוון שמסה גדולה מרימה מסה קטנה יותר, כמו בנדנדת ילדים.

הסבר חלופי למסות של חלקיקי הניטרינו עולה מתוך הסופר-סימטריה, מועמדת מובילה לפיזיקה חדשה שתפרוץ את גבולות המודל הסטנדרטי. על פי השערת הסופר-סימטריה, לכל חלקיק במודל הסטנדרטי יש אח שטרם התגלה. אותם "סופר-אחים" (superpartners), שחייבים להיות בעלי מסה גדולה מאוד לנוכח העובדה שעד כה הם הצליחו לחמוק מגילוי, יגדילו בבת אחת את מספר החלקיקים האלמנטריים לפחות פי שניים. אם קיימים חלקיקים סופר-סימטריים, ייתכן שה-LHC יוכל לייצר אותם ולמדוד את תכונותיהם.

אחת התכונות המושכות ביותר של הסופר-סימטריה היא שאחד הסופר-חלקיקים המכונה ניטרלינו הוא מועמד רציני ביותר לתפקיד החומר האפל, אותה מסה המצויה בגלקסיות ובצבירי גלקסיות ומפעילה משיכה כבידתית אבל אינה פולטת אור ואינה חושפת את עצמה בדרכים גלויות אחרות. הניטרלינו יעמוד בדרישות החומר האפל רק אם יתברר שהוא יציב למשך פרקי זמן ארוכים דיים, ולא יתפרק במהירות לחלקיק אחר כלשהו.

ניטרלינו קצר-חיים ישלח אפוא את חוקרי החומר האפל בחזרה לשולחנות הסרטוט שלהם אבל יהיה ברכה גדולה לפיזיקאי הניטרינו. יציבות הניטרלינו תלויה בתכונה משוערת המכונה זוגיות-R, שמונעת מן הסופר-אחים להתפרק לאחד מחלקיקי המודל הסטנדרטי הרגילים. אבל אם זוגיות-R לא תחזיק מעמד, ייעשה הניטרלינו לבלתי יציב, וההתפרקות שלו תהיה תלויה בחלקה במסת הניטרינו.

שניים מאתנו (הירש ופורוד), בשיתוף עם חוזה וָלֶה מאוניברסיטת ולנסיה שבספרד וחורחה צ' רומנו מן האוניברסיטה הטכנית של ליסבון בפורטוגל, הראו שאפשר לבחון את הקשר בין חלקיקי ניטרינו ובין ניטרלינו ב-LHC. אם יציבות הניטרלינו אכן תלויה בחלקיקי ניטרינו, יהיה אפשר לחזות את תוחלת החיים של הניטרלינו מתוך תכונות ניטרינו ידועות. וממש במקרה יוצא שהסופר-חלקיק הזה אמור להתקיים זמן ארוך דיו כדי לאפשר לפיזיקאים לנהל מעקב אחר חייו במלואם, מהיווצרות ועד התפרקות, בתוך גלאיו של ה-LHC.

קל ואנטי-חומר

כל ההסברים המתקבלים על הדעת למסות הזעומות של הניטרינו מורות לעבר מחוזות לא נודעים בממלכת הפיזיקה. ואולם, אחד ההסברים האלה, מנגנון הנד-נד, עשוי לתרום גם לפתרון תעלומה מרכזית בפיזיקה: איך קרה שהחומר זכה להביס את האנטי-חומר, ניצחון שאִפשר את יצירת המבנה הקוסמי, ובסופו של דבר את התפתחות החיים.

לכל חלקיק במודל הסטנדרטי יש בן זוג אנטי-חומרי, כעין גרסת מראה שלו, עם מטען הפוך. לאלקטרון, למשל, יש מטען חשמלי של -1, ולאנטי-אלקטרון, המכונה פוזיטרון, יש מטען של +1. כשאלקטרון ופוזיטרון מתנגשים, המטענים שלהם מבטלים זה את זה, והחלקיקים מתאיינים בפרץ של קרינה. לחוסר המטען המושלם של הניטרינו הימני עשויה להיות השלכה חשובה: ייתכן שמשמעות הדבר היא שבמקרה של חלקיקי ניטרינו, חומר ואנטי-חומר הם היינו הך. בטרמינולוגיה של הפיזיקה, האלקטרון והפוזיטרון מכונים חלקיקי דיראק. אבל חלקיק שהוא בן הזוג האנטי-חומרי של עצמו מכונה חלקיק מָיוֹרָנָה.

אם תיאוריית הנד-נד משקפת נכונה את מנגנוניו הפנימיים של עולם החלקיקים, אז חלקיקי הניטרינו השמאליים נגועים לא רק במסה, אלא גם ב"מיורניות" של חלקיקי הניטרינו הימניים. במילים אחרות, אם חלק מחלקיקי הניטרינו הם האנטי-חלקיקים של עצמם הרי שכל חלקיקי הניטרינו הם כאלה.

למציאות שבה חלקיקי ניטרינו והאנטי-חלקיקים שלהם הם היינו הך יהיה מגוון של השלכות מרתקות. לדוגמה, חלקיקי ניטרינו יוכלו לעורר מעבר בין חלקיקים לבין אנטי-חלקיקים. במרבית תגובות החלקיקים, נשמר הגודל המכונה "המספר הלפטוני", שמייצג את מספר הלפטונים פחות מספר האנטי-לפטונים, כלומר הוא אינו משתנה. ועם זאת, חלקיקי ניטרינו עשויים להפר את הכלל הזה, וליצור אי איזון בין חומר לאנטי-חומר. בשבילנו, בני האדם, אי האיזון הזה הוא דבר טוב מאוד מכיוון שאילו החומר והאנטי-חומר היו מתחלקים שווה בשווה לאחר המפץ הגדול, הם היו מאיינים זה את זה לגמרי ולא היו מותירים מאחוריהם שום דבר שאפשר לבנות ממנו גלקסיות, כוכבי לכת וצורות חיים. ההסבר לדומיננטיות של החומר על פני האנטי-חומר חומק זה שנים רבות מפיזיקאים ומקוסמולוגים.

סוד הניטרינו הנעלם

הקשר בין חלקיקי ניטרינו ובין האנטי-חלקיקים שלהם אינו חייב להישאר תחום בעולמה של תיאוריה פיזיקלית מפתה אך לא פתורה לגמרי. ניסויים רבים, בעבר ובהווה, ביקשו לספק תשובה חד משמעית לשאלה אם חלקיקי ניטרינו הם אכן האנטי-חלקיקים של עצמם, באמצעות חיפוש אחר סוג של אירוע רדיואקטיבי המכונה התפרקות בטא גרעינית כפולה.

חלקיקי ניטרינו ואנטי-ניטרינו נצפו לראשונה בהתפרקות בטא גרעינית, שבה אטום פולט אלקטרון יחד עם אנטי-ניטרינו. בכמה איזוטופים גרעיניים, עשויות להתרחש שתי התפרקויות בטא סימולטניות, שבתנאים רגילים פולטות שני אלקטרונים ושני חלקיקי אנטי-ניטרינו. אבל אם הניטרינו הוא חלקיק מיורנה, אז אותו אנטי-ניטרינו שנפלט בהתפרקות הראשונה יכול להיבלע בהתפרקות השנייה. התוצאה היא התפרקות בטא כפולה שאינה פולטת שום חלקיקי ניטרינו או אנטי-ניטרינו [ראו תיבה בעמוד הקודם]. ברגע אחד, במקום שבו קודם לכן לא היו שום לפטונים, מתהווים שני לפטונים (האלקטרונים), בלי האנטי-לפטונים הרגילים שמאזנים אותם (חלקיקי האנטי-ניטרינו). במילים אחרות, אותה התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו מפרה את שימור המספר הלפטוני.

כיום, החיפוש אחר התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו הוא המבחן הטוב ביותר שיש לנו בעבור חלקיקי ניטרינו מיורניים בפרט ובעבור המספר הלפטוני בכלל. בעיקרון, ניסוי התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו הוא פשוט: יש לאסוף איזוטופים גרעיניים כגון גרמניום 76, שבו עשויות להתרחש התפרקויות בטא סימולטניות, ולהמתין להתהוות של שני אלקטרונים שאינם מלווים בחלקיקי ניטרינו. אבל למעשה, הניסויים האלה קשים מאוד. התפרקויות בטא כפולות מכל סוג הן נדירות להפליא, ולכן הנסיינים צריכים לאסוף כמויות גדולות של גרמניום או חומרי מקור אחרים, כדי שיוכלו לקוות לתעד את הזן חסר הניטרינו. וכאילו לא די בזאת, הזרם המתמיד של חלקיקים תת-אטומיים המומטרים על כדור הארץ מקרניים קוסמיות נוטה להטביע את האות הזעיר של התפרקויות בטא כפולות. ולכן הנסיינים חייבים לקבור את הגלאים שלהם במעמקי האדמה, או במכרות נטושים או במעבדות תת-קרקעיות אחרות, שבהם שכבות הסלע הרובצות מעל מסננות כמעט את כל הקרניים הקוסמיות.

למרבה הצער, על הדיווח היחיד נכון לעכשיו בדבר התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו, מניסוי התפרקות בטא הכפול של היידלברג-מוסקבה באיטליה, נמתחה ביקורת נמרצת מפיהם של פיזיקאים אחרים. הדור הבא של גלאים שרק לאחרונה מתחילים לאסוף נתונים או שהקמתם עדיין בעיצומה, יחפשו ביסודיות רבה יותר. ניסוי שנערך בניו-מקסיקו, EXO-200 שמו, וניסוי אחר ביפן המכונה בשם KamLAND-Zen, פרסמו לאחרונה את הנתונים הראשונים מן החיפושים שלהם אחר התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו, שלא עלו בקנה אחד עם הטענה הקודמת אך גם לא פסלו אותה באופן חד משמעי.

ניסוי GERDA באיטליה, שהתחיל לפעול ב-2011, משתמש באותו איזוטופ שבו השתמשו במערך היידלברג-מוסקבה, אבל בדגם חדש שמטרתו להתעמת באופן ישיר עם הממצא השנוי במחלוקת של קודמו. הניסויים EXO-200 ו-KamLAND-Zen, ממשיכים שניהם לפעול, ומתקן נוסף הקרוי CUORE אמור, על פי התכניות, להתחיל לאסוף נתונים באיטליה ב- 2014. מספרם של הניסויים המתקדמים המתנהלים כעת מעניק לנו תקווה מתקבלת על הדעת שהתפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו עשויה לזכות לאישוש לפי תום העשור הזה.

חילופי יוצרות

מציאת ניטרינו שטרם התגלה, או הוכחה שחלקיקי ניטרינו ואנטי-ניטרינו הם היינו הך, יוסיפו רובד חדש לגמרי של מסתורין לחלקיקים האלה, שכבר עכשיו הם חידתיים. אבל אפילו בשעה שאנחנו, הפיזיקאים, עורכים מצוד אחר מאפיינים חדשים של החלקיקים האלה, אנחנו גם ממשיכים להיאבק עם המנגנון העומד בתשתית תכונה מתועדת היטב אך כמעט בלתי מובנת של חלקיקי הניטרינו: הנטייה החזקה שלהם לפשוט צורה וללבוש צורה. בספרות מקובל לומר שהכמות של הפרת הטעם הלפטוני, או ערבוב הניטרינו, גדולה בהשוואה לערבוב בין טעמים של קווארקים, חלקיקי היסוד שמהם מורכבים הפרוטונים והניטרונים.

קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם חוקרות כיצד סימטריות של הטבע, תכונות מפתח המשותפות לכוחות ולחלקיקים נבדלים לכאורה, שרק לאחרונה עלו בדעתם של מדענים, יכולות להסביר התנהגות כזאת. אחת הדוגמאות האפשריות היא הסימטריות הטבועות בדרכים שבהן החלקיקים הידועים הופכים מאחד לאחר. גַאוּטַם בֶּטַצַ'אריה ממכון סַהַא לפיזיקה גרעינית בכלכותה, פיליפ לֶסֶר מן האוניברסיטה הטכנית של דורטמונד בגרמניה ואחד מאתנו (פאס), גילו לאחרונה שסימטריות כאלה ישפיעו באופן ברור על שדה היגס. האינטראקציה של קווארקים מחליפי-טעם וחלקיקי ניטרינו עם שדה היגס תתבטא בתוצרי התפרקות אקזוטיים של בוזוני היגס, שנוכל בוודאות לצפות בהם ב-LHC. אות כזה יוכל ללמד על המנגנון שביסוד שינויי הצורה ההיפראקטיביים של חלקיקי הניטרינו: תגלית שעתידה ללא ספק להיות אחת התגליות המרהיבות ביותר של ה-LHC.

ועד שזה יקרה, משפחה אחרת של ניסויים מנסה לקבוע סופית באיזו תדירות בדיוק החלקיקים משנים את זהותם. ניסויים ארוכי-טווח כמו למשל T2K ביפן, MINOS במינסוטה ו-OPERA באיטליה מזהים אלומות ניטרינו שמקורן במאיצי חלקיקים המצויים במרחק של מאות קילומטרים מהן, כדי למדוד שינויי טעם המתחוללים בשעה שחלקיקי הניטרינו חוצים מרחקים גדולים דרך כדור הארץ [ראו תיבה בעמוד 43]. קני המידה של הניסויים האלה גדולים כל כך, עד שחלקיקי ניטרינו עשויים לחצות במסעם גבולות בין-מדינתיים או אפילו בין-לאומיים. (ב- 2011 עלה ניסוי OPERA לכותרות כשפיזיקאים משיתוף הפעולה הזה הודיעו שחלקיקי ניטרינו מן הניסוי שלהם נעו לכאורה ממעבדת CERN עד למעבדה האיטלקית התת-קרקעית במהירות גבוהה ממהירות האור, מדידה שעד מהרה התבררה כלקויה.) כהשלמה לניסויי הניטרינו ארוכי הטווח האלה, פרויקט שוּז הכפול בצרפת, ניסוי הניטרינו של בכור הגרעיני שמפרץ דאיה בסין וניסוי RENO בקוריאה הדרומית, מודדים כולם את התנודות קצרות הטווח של חלקיקי ניטרינו המגיעים מכורים אטומיים.

רק ב-2012 הצליחו הניסויים האלה לקבוע סוף-סוף את גודלו של האחרון והקטן ביותר מבין הפרמטרים המכונים זוויות ערבוב, שהם השולטים בחילופי הטעם של חלקיקי ניטרינו. זווית הערבוב האחרונה שהיה צורך לקבוע, המכונה "זווית הכוּר", מתארת את ההסתברות שניטרינו אלקטרוני או אנטי-ניטרינו אלקטרוני יעבור שינוי בטווח קצר. בזכות המדידות של זווית הכור, ייתכן שניסויי ניטרינו עתידיים יוכלו להשוות בין התכונות של חלקיקי ניטרינו ובין התכונות של חלקיקי אנטי-ניטרינו. אי-סימטריה בין חלקיקים לבין בני זוגם האנטי-חומריים תיקרא בשם שבירת סימטריית CP (Charge-Parity violation) ויחד עם מחקרים על התפרקות בטא כפולה חסרת-ניטרינו, תוכל לזרות אור על התעלומה, מדוע יש ביקום שלנו יותר חומר מאשר אנטי-חומר.

מבין החיפושים הנערכים כיום, ייתכן שהסיכוי הרציני הראשון לראות רמזים לשבירת סימטריית CP שייך לניסוי T2K. אבל המירוץ שמתנהל בין ניסויי הדור החדש, לענות על שאלות מפתח בנושא חלקיקי הניטרינו טרם הוכרע ונראה שהוא עתיד להיות מסעיר. גם לניסוי NOvA ארוך הטווח, שהקמתו בארה"ב בעיצומה, יש סיכוי לחשוף שבירת סימטריית CP בחלקיקי ניטרינו. NOvA עתיד לירות קרני ניטרינו דרך האדמה, ממעבדת המאיץ הלאומי על שם פֶרמי בבטאביה שבאילינוי ("פֶרמילאב"), במסלול ישר שיחתוך את מדינת ויסקונסין ושפת אגם סופריור, עד לגלאי בנהר אַש שבמינסוטה, מהלך 810 קילומטרים. חלקיקי הניטרינו יעברו את הדרך הזאת בפחות מ-3 מילי-שניות.

NOvA מתכנן, בין שאר מטרות המחקר שלו, גם להבהיר את היררכיית המסות של חלקיקי הניטרינו, כלומר לקבוע מי מחלקיקי הניטרינו הוא הקל ביותר ומי הכבד ביותר. נכון לעכשיו, הפיזיקאים יודעים רק שלפחות לשני סוגי ניטרינו יש מסות שאינן אפס, אבל, כמו בהיבטים רבים כל כך של חלקיקי הרפאים האלה,הפרטים חומקים מאתנו.

תעלומות עקשניות

לנוכח ריבוי ניסויי ניטרינו הנערכים כעת, שכל אחד מהם בנוי אחרת, בעל מטרות שונות ומשתמש במקורות חלקיקים שונים, הנתונים המגוונים הצצים ממקומות שונים ברחבי העולם מעוררים לעתים פרשנויות סותרות. אחד הרמזים הניסויים המסעירים ביותר, והשנויים ביותר במחלוקת, מעלה את האפשרות לקיומו של חלקיק חדש, המכונה הניטרינו העקר (sterile neutrino).

הניטרינו העקר מעורר מרבצם את פחדיו של פאולי מ-1930 מפני שיהיה אפשר לזהותו אך ורק בעקיפין, ממש כמו הניטרינו הימני ממנגנון הנד-נד, הכבד ממנו בהרבה. (עם זאת, מנקודת מבט תיאורטית, כמעט בלתי אפשרי ששני החלקיקים המוצעים האלה יהיו קיימים במקביל.) ואולם, ייתכן ששני ניסויים קלטו הדים מפסיעותיו המרפרפות של הניטרינו העקר. ניסוי LSND, שפעל במעבדה הלאומית בלוס אלמוס בשנות ה-90, גילה ראיות מוקדמות אך שנויות במחלוקת לסוג חמקמק של המרת טעם בניטרינו: חלקיקי אנטי-ניטרינו מיואוני שהופכים לחלקיקי אנטי-ניטרינו אלקטרוני. ניסוי MiniBooNE של פרמילאב, שהתחיל להפיק תוצאות מדעיות ב-2007, רמז גם הוא על המרות כאלה. אך התנודות של LSND ושל MiniBooNE אינן מצליחות להשתבץ יפה בתמונה הרגילה של שלושה חלקיקי ניטרינו.

מכניקת הקוונטים מאפשרת לחלקיקי ניטרינו להתנודד בין טעמים רק אם יש להם מסה ורק אם לכל טעם יש מסה אחרת. מסות הניטרינו השונות יוכלו לעורר המרות ניטרינו שבכוחן להסביר את החריגות שגילו LSND ו-MiniBooNE, אבל רק אם קיים הבדל מסות נוסף על ההבדלים הידועים כבר, או במילים אחרות, רק אם קיימים ארבעה סוגי ניטרינו ולא שלושה. ניטרינו נוסף שיוצמד לכוח החלש יגרום לבוזון Z, נושא הכוח החלש, להתפרק מהר מדי, ולכן אסור שחלקיק כזה יגיב תגובה כלשהי עם הכוח החלש. מכאן הסיווג של הניטרינו כ"עקר": הניטרינו המשוער הזה יהיה כמעט לגמרי בלתי-מצומד לשאר גן החיות של החלקיקים.

גם בגלאים מסוג שונה לגמרי, שלוכדים חלקיקי ניטרינו מכורים גרעיניים סמוכים, נרשמו תוצאות מפתיעות שעשויות לרמוז על ניטרינו עקר. בנתונים שהגיעו מכמה ניסויי כור יש סימנים להיעלמות חריגה של חלקיקי אנטי-ניטרינו אלקטרוני על פני מרחקים קצרים מאוד, תופעה שאם מפרשים אותה במונחים של תנודות ניטרינו, תרמז על קיומם של חלקיקי ניטרינו עקרים. החריגה הזאת ידועה זה מכבר, אבל חישובים מחודשים שנערכו לאחרונה על פלט חלקיקי הניטרינו מן הכורים השונים סיפקו חיזוק לטיעון בדבר חלקיק חדש.

הראיות לקיומם של חלקיקי ניטרינו עקרים, נכון לעכשיו, הן עדיין בגדר מתווה כללי, והן עקיפות וסותרות – כל המאפיינים הצפויים במקרה של מרדף אחר חלקיק ידוע לשמצה בחמקמקותו ושייתכן שהוא אף אינו קיים. אבל ייתכן של-MiniBooNE ולניסוי נלווה המכונה MicroBooNE, שהקמתו בפרמילאב מצויה בעיצומה, יהיה משהו יותר מוצק לומר בנושא. ויבול חדש של ניסויים מוצעים, שיחקרו את חריגת הכור, נידון גם הוא.

אחד הדברים המדהימים הוא, שה-LHC האדיר והניסויים באנרגיות נמוכות באופן יחסי על הניטרינו הצנוע מספקים מסלולים משלימים כדי לחקור את מנגנוניו הפנימיים של הטבע. יותר מ-80 שנה אחרי שוולפגנג פאולי הגה את ה"חלקיק שאי אפשר לגלותו" שלו, ממשיכים חלקיקי הניטרינו לשמור על סודותיהם בקנאות. ועדיין, התגמול האפשרי של חשיפת הסודות האלה מצדיק את המאמץ בן עשרות השנים לחטט עוד ועוד בחייו הפרטיים של הניטרינו.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

על המחברים

מרטין הירש (Hirsch) הוא פרופסור בצוות לפיזיקה של אנרגיות גבוהות ואסטרו-חלקיקים ב-IFIC, במרכז לפיזיקת חלקיקים המשותף לאוניברסיטת ולנסיה ולמועצת המחקר הלאומית של ספרד.

היינריך פאס (Päs) הוא פרופסור באוניברסיטה הטכנית של דורטמונד שבגרמניה. "הגל המושלם", ספרו העוסק בחלקיקי ניטרינו, עומד להתפרסם בהוצאת אוניברסיטת הרווארד.

ורנר פורוד (Porod) הוא פרופסור באוניברסיטת וירצבורג שבגרמניה.

בקיצור

הניטרינו הוא העוף המוזר ביותר בקרב חלקיקי היסוד. נדמה שחלקיקי הניטרינו מפרים את כל התקדימים שנקבעו בידי סוגים מובַנים יותר של חלקיקים, כגון אלקטרונים וקווארקים.

הניטרינו, קל-המשקל, החמקמק והקשה ביותר לגילוי, מורט את עצביהם של נסיינים זה עשרות שנים.

אפילו היום, תכונות יסוד של הניטרינו נותרו שנויות במחלוקת. מקצת שאלות המפתח נוגעות למקור המסה הזעומה שלהם, לטבעו של אנטי-חומר במקרה של הניטרינו ולמספר סוגי הניטרינו הקיימים. ואין צורך לומר שהן נוגעות לתחביב שלהם, להחליף את זהותם תוך כדי תנועה.

חשיפת טבעו האמיתי של הניטרינו עשויה לסלול את הדרך לתיאוריה מאוחדת יותר של הפיזיקה.

הניטרינו - החלפת זהויות תוך כדי תנועה

הניטרינו – החלפת זהויות תוך כדי תנועה

 

מדידת מסה / סודיפ דאס וטריסטן ל' סמית

סודות הניטרינו, כתובים בכוכבים

מדידת המסה הזעירה של הניטרינו התבררה עד כה כמשימה בלתי אפשרית, ואי אפשר לומר שלא ניסינו. ניסויי מעבדה רבים שנערכו במהלך עשרות השנים האחרונות הצליחו רק להציב גבולות כלליים על שלוש מסות הניטרינו.

יש לנו סיבות משכנעות ביותר לצפות שהדרך הטובה ביותר למדוד את המסה של החלקיקים הזעירים האלה היא, למרבה הפליאה, לחפש אחר השפעתם על קני המידה הגדולים ביותר של היקום. שכן, על אף שחלקיקי ניטרינו הם למעשה חסרי מסה וכמעט בלתי נראים, המספר העצום שלהם, בערך 1089 ביקום, הופך אותם לשחקני מפתח בקוסמוס.

ההיגיון שלנו הוא כזה: בזמן כלשהו בתחילת ההיסטוריה של היקום, כשהכול היה חם מאוד ודחוס מאוד, תגובות גרעיניות חישלו הליום מתוך מימן, ושחררו כמויות עצומות של חלקיקי ניטרינו כתוצר לוואי. כשהיקום התפתח, התפשט והתקרר, סטיות קלות בצפיפות של מרק החלקיקים הבראשיתי הזה הוגברו; באזורים של צפיפות גבוהה מן הממוצע, ניסתה הכבידה למשוך עוד חומר פנימה.

חומר אפל, אותו חומר בלתי נראה האחראי על חלק הארי של מסת היקום, היה הראשון שקרס לגושים, מכיוון שהאינטראקציות שלו הן כבידתיות בלבד. גושי החומר האפל ההתחלתיים האלו יצרו את זרעי הגלקסיות וצבירי הגלקסיות שאנו רואים היום. חלקיקי ניטרינו, שהם קלים להפליא, התחילו להצטבר קצת יותר מאוחר בהתפתחות היקום. למעשה, היכולת של חלקיקי הניטרינו לחלוף בחופשיות כזאת דרך הקוסמוס, האטה את הצטברות החומר האפל, ואת עקבות ההשפעה הזאת אנו אמורים להצליח לגלות בימינו.

ככל שהמסה של חלקיקי הניטרינו גדולה יותר, כן העיכוב שהם יצרו בהצטברות החומר היה גדול יותר, תופעה שבפועל תתבטא בטשטוש הגבולות של מבנה היקום בקנה מידה גדול. אם נמדוד את התפלגות החומר ביקום, נוכל להסיק עד כמה גדולה מסתם של חלקיקי הניטרינו.

מיפוי התפלגות החומר, שרובו הוא חומר אפל, אינו בגדר משימה קלה ופשוטה. ואולם, החוקרים ראו ששיירי הקרינה מן המפץ הגדול, המכונים קרינת הרקע הקוסמית (CMB), מתעוותים קלות בגלל כיפוף האור הנובע מן ההשפעות הכבידתיות של גושי החומר האפל הממלאים את החלל שבין קרינת הרקע לביננו. בדיקת אפקט ה"עידוש הכבידתי" הזה על ה-CMB היא דרך מבטיחה מאוד למדידת התפלגות החומר האפל ביקום.

מדידות מדויקות חדשות של ה-CMB הנערכות כעת יאפשרו לנו למדוד את עיוותי העידוש בדיוק גבוה מאוד, ולמעשה ימפו את החומר האפל שלולא כן היה בלתי נראה. אם התפלגות החומר האפל מוגבלת למבנים בעלי גבולות חדים, המופרדים זה מזה על ידי חללים ריקים, נוכל להסיק שמסות הניטרינו הן קטנות; לחלופין, אם יהיו הגבולות מטושטשים, נדע שמסות הניטרינו גדולות יותר. הדור החדש של ניסויי CMB יאפשר לנו לקבוע במדויק את סכום המסות של שלושת סוגי הניטרינו בדיוק של עד חמש מיליוניות מסת האלקטרון.

עצם הדבר שייתכן שנוכל למדוד את המסה של החלקיק הקל ביותר והחמקמק ביותר מבין כל החלקיקים התת-אטומיים, באמצעות צפייה ביקום בכללותו, אינו אלא דוגמה נוספת לכך שחקר הפיזיקה, על פני כל קני המידה, ממשיך להפתיע ולעודד אסטרופיזיקאים לצלול יותר ויותר עמוק לנבכי מנגנוניו של עולם הטבע.

סודיפ דאס הוא פוסט-דוקטורנט, תלמיד מלגת המחקר ע"ש דייוויד שראם, במעבדה הלאומית ארגון.

טריסטן ל' סמית הוא פוסט-דוקטורנט של מרכז ברקלי לפיזיקה קוסמולוגית באוניברסיטת קליפורניה בברקלי.

ועוד בנושא

Testing Neutrino Mixing at Future Collider Experiments. W. Porod, M. Hirsch, J. Romão and J.W.F. Valle in Physical Review D, Vol. 63, No. 11, Article No. 115004; April 30, 2001.

Neutrino Masses and Particle Physics beyond the Standard Model. H. Päs in Annalen der Physik, Vol. 11, No. 8, pages 551-572; September 2002.

5 תגובות ל “‫מגדלורי רפאים של פיזיקה חדשה / מרטין הירש, היינריך פאס וורנר פורוד‬”

  1. יוסי

    סה"כ הכתבה לדעתי איכותית וגרמה לי לרענן לעצמי את התחום. הורדתי את המאמרים שהפניתם אליהם ב xArxiv, וספרים.באופן כללי זה האתר היחיד בעברית שאני מוצא בו שפה משותפת, ולפי גודל צוות הכותבים אתם עושים עבודה קשה.

  2. יוסי

    ספרים יותר רציניים על הנושא על תורת המיתרים, עוד לפני תורת השדות הקוונטיים
    תורת העל מיתרים מאת גרין, שוורץ וויטן (שלושתם אגב בני אותו עם).
    אין סיכוי להצליח לקרוא אותם למי שאין לו רקע תואר ב, ג בפיזיקה.
    תורת המיתרים joseph polchinski.
    כהדיוט סקרן אני מציע לבצע חקר רשת בנושא היגס בוסון עד שתנוח דעתך. זה ממוקד יותר.

  3. יוסי

    באיחור קראתי את השאלה.
    התשובה על אחריותי בלבד, נתון לביקורת בהשוואה לאתר כמו ויקיפדיה, שאולי לא סופר מדוייק, אבל עוברים שם הרבה אנשים ואם רואים שגיאה מעירים. התפקיד הוא יצירת מסה. התנועה בשדה אנרגיה צפוף, ממודלת ע"י חלקיק נושא אנרגיה וכוח הנקרא בשם הכללי בוזון.
    בדומה לפוטון שממלא תפקיד דומה בשדה אלקטרו-מגנטי וגם הוא בוזון אלא הוא נטול מסה מדידה. בוזון היגס ממלא תפקיד כזה. צפיפות שדה האנרגיה יוצרת התנגדות לתנועה, דרך מה שאנו מכירים בשם מסה. התורה שמתייחסת לזה היא תורת המיתרים, במסגרת תורת היחסות הכללית.
    תתחיל מויקיפדיה ותחפש מידע על בוזון היגס. בוזון הוא שם כללי לקבוצת חלקיקים שיכולים לשבת מספר כלשהו של חלקיקים במצב (state) שמאופיין ע"י אנרגיה קבועה. אפיון נוסף שלו ספין במנות שלמות ולא חצאים.
    ביכולתך לקנות ספרי מדע פופולרי: היקום האלגנטי בריאן גרין, עוד ספרים של בריאן גרין.
    אפיון נוסף- חלקיק נושא כוח ואנרגיה = החלקיק שעובר בין שני חלקיקים שביניהם פועל כוח.

    הקונטרה לבוזון הוא פרמיון. חלקיק שיכול לתפוס מצב אנרגטי – חלקיק אחד בלבד בצבר. מאופיין בספין מנות של משהו + חצי (ספין, תנע זויתי מגנטי). מאופיין כחלקיקים שהם כבר בעצמם חומר עם מסה ומקיימים ביניהם אינטראקציה. בוזון היגס הוא גם נושא הכוח וגם מייצר המסה.

  4. מישו

    שאלה?
    מישהו יודע מה התפקיד שמייחסים לבוזון היגס באינטראקציה שבה שני פוטונים "הופכים" לאלקטרון ופוזיטרון. האינטראקציה הזאת תמיד עניינה אותי במיוחד. נראה כאילו מסגרת היחסות הפרטית לא באמת נותנת את התמונה המלאה?

  5. נקודה

    מה שאמור להכאיב את הראש עוד יותר זה העטבדה שהניטרינו אינו חלקיק יסוד. שהרי לא יתכן שחלקיק יסוד ישנה את תכונותיו.
    הקשיים הגדולים במדידת חלקיק שנחזה לפני 80 שנה מעוררים דאגה לגבי היכולת לחקור עמוק יותר. זה נראה שהקושי לחקור גדל בקצב מהיר יותר מהתקדמות הידע והטכנולוגיה.

הוספת תגובה

  • (will not be published)