איזו קלאסה, יש לי מסה! – נובל בפיזיקה למדענים שחשפו את סודות הנייטרינו

פיצוח חידות הנייטרינו עשוי לסייע למדענים להבין שאלות מהותיות בנוגע לתולדות היקום, כמו למשל, מדוע יש ביקום כמות חומר גדולה הרבה יותר ממה שהמודלים המקובלים חזו, ולסייע לנו להבין את התהליכים שאירעו ביקום הצעיר מייד לאחר המפץ הגדול

ב-1930 חקר הפיזיקאי האוסטרי וולפגנג פאולי (Pauli) את התהליך המכונה התפרקות בטא – תהליך רדיואקטיבי שבו נפלט אלקטרון (או פוזיטרון, חלקיק דומה בעל מטען חשמלי חיובי) מגרעין של אטום. פאולי בחן בקפידה את הנתונים, והגיע למסקנה שחלק מהאנרגיה של החלקיקים פשוט נעלם. כשלא מצא פתרון אחר, נאלץ להניח שהאנרגיה הזו נעלמת עם חלקיק זעיר נוסף הנפלט בהתפרקות. עם זה, פאולי עצמו לא ממש האמין בכך, ואף אמר (כנראה) לעמיתיו: “עשיתי דבר נורא – חזיתי את קיומו של חלקיק שאי אפשר לגלותו”. את עבודתו של פאולי המשיך פיזיקאי נודע אחר, אנריקו פרמי (Fermi), ופיתח תיאוריה הכוללת חלקיק כזה, הנושא אנרגיה וחסר מטען חשמלי. פרמי האיטלקי העניק לחלקיק שם בעל צליל בלשונו – נייטרינו (Neutrino) – כלומר נייטרון קטן. ואולם, גילויו של הנייטרינו בפועל היה משימה בלתי אפשרית כמעט. חלקיקים כאלה אינם מגיבים כמעט עם שום כוח פיזיקלי, ולכן הם אינם אינם מושפעים מתופעות כמו כבידה או שדות מגנטיים וחשמליים, והם עוברים בנקל דרך חומר מוצק. למעשה, בעת שאתם קוראים שורות אלה, חולפים דרך גופכם טריליונים של חלקיקי נייטרינו, בלי להותיר שום רושם. הם עוברים בקלות גם דרך חומר מוצק הרבה יותר, כמו למשל כדור הארץ. למעשה, כדי ללכוד נייטרינו ביעילות, דרוש קיר עופרת שעוביו כמה שנות אור. קיומו של הנייטרינו הוכח מחקרית רק ב-1956, כששני פיזיקאים אמריקנים, פרדריק ריינס (Reines) וקלייד קוואן (Cowan), פיתחו גלאי משוכלל, שהצליח לזהות תגובה הנוצרת בעקבות פגיעת החלקיק הזעיר.

החלקיקים החסרים

בעשורים הבאים בנו מדענים גלאי נייטרינו משוכללים יותר. רובם ממוקמים בעומק האדמה (למשל במכרות נטושים), כדי להפחית את הסיכוי שייקלטו בהם חלקיקים אחרים. הגלאים האלה הצליחו לזהות חלקיקי נייטרינו בצורה סבירה, אלא שאז התעוררה שאלה חדשה. הרוב הגדול של חלקיקי נייטרינו מגיעים אלינו מן החלל החיצון – רבים מהם מקרינת השמש. ואולם, כשהמדענים התחילו לספור את חלקיקי הנייטרינו המעטים שהצליחו לזהות מכיוון השמש, ולנסות לחשב באמצעותם כמה נייטרינו אכן מגיעים אלינו, הם הגיעו בערך לשליש מהכמות שאמורה להגיע מהשמש. לאן נעלמים שני שלישים מחלקיקי הנייטרינו? אחת ההשערות היתה שהנייטרינו אינם נעלמים, אלא מחליפים זהות. על פי המודל המקובל כיום של מבנה החומר (המודל הסטנדרטי, כפי שמכנים אותו הפיזיקאים), יש שלושה סוגים שונים של נייטרינו – נייטרינו-אלקטרון, נייטרינו-טאו (tau) ונייטרינו-מיואון (muon). השמש מייצרת רק נייטרינו-אלקטרון, והוא גם מחזיק מעמד יותר משני האחרים, המתפרקים במהירות גבוהה מאוד. אם יתברר כי הנייטרינו מהשמש הופך בדרך לסוגים האחרים של החלקיק, זה עשוי להיות הפתרון לתעלומת החלקיקים החסרים.

עמוק באדמה

אם גילוי של נייטרינו הוא משימה מורכבת, הרי שהבחנה בין סוגי הנייטרינו השונים היא משימה כבירה עוד יותר. ב-1996 התחיל לפעול ביפאן גלאי סופר-קמיוקאנדה (Super-Kamiokande) – במכרה אבץ ישן מדרום מערב לטוקיו. קילומטר מתחת לפני האדמה מוצב מיכל ענקי – אורכו ורוחבו 40 מ’, והוא מכיל 50,000 טונות של מים מזוקקים ברמת טיהור מושלמת כמעט. רוב חלקיקי הנייטרינו חולפים דרך המיכל בלי להותיר עקבות, אך אחדים מהם מתנגשים עם חלקיקים, ובהתנגשויות האלה נוצר אור זעיר מאוד. 11,000 גלאים רגישים מאוד מסביב למיכל מסוגלים לקלוט את הבלחות האור הזעירות האלה, ולהבחין אם מדובר בנייטרינו אלקטרון או בנייטרינו מיואון (הגלאי לא מסוגל להבחין בסוג השלישי, טאו) ומאיזה כיוון הוא מגיע. חלקיקי הנייטרינו אינם מגיעים מהשמש לבדה, אלא נוצרים באטמוספרה בשל קרינה קוסמית המגיעה מכל כיוון בחלל. לכן ציפו החוקרים שגם חלקיקי הנייטרינו יגיעו אל הגלאי מכל הכיוונים, הן מלמעלה, הן מלמטה, לאחר שעברו דרך כל כדור הארץ. החוקרים הופתעו לגלות עם זה כי מספרם של הנייטרינו-מיואון המגיעים מלמעלה גבוה הרבה יותר מאלה המגיעים מלמטה. הם שיערו כי בהפרש הזמנים הקצר הדרוש לנייטרינו לעבור דרך כדור הארץ, רבים מהחלקיקים הפכו לסוג השלישי – נייטרינו טאו – שכאמור אינם מתגלים במתקן הזה.

בינתיים בקנדה

שלוש שנים לאחר תחילת עבודתו של הגלאי היפני, התחיל ב-1999 לפעול גלאי משוכלל נוסף בסאדבורי שבקנדה. הגלאי הזה, בעומק של כשני ק”מ, מורכב ממיכל כדורי המכיל 1,000 טונות של מים כבדים. אלה מים שאטום המימן שלהם מכיל נייטרון (במימן רגיל אין נייטרונים בגרעין), ריבוי הנייטרונים מגדיל מאוד את הסיכוי להתנגשות של הנייטרינו בהם. במיכל נוצרות שני סוגי התנגשויות – באחת מתגלים רק נייטרינו אלקטרון, ובאחרת – כל שלושת סוגי הנייטרינו. זה איפשר לחוקרים להתמקד בנייטרינו המגיעים מכיוון השמש, ולהשוות בין מספר ההתנגשויות משני הסוגים. אף על פי שהגלאי זיהה רק אחדים מ-60 מיליארד הנייטרינו שעוברים בכל ס”מ שלו מדי שניה בשניה, הנתונים העלו בבירור כי שליש מהנייטרינו המגיעים מהשמש הם נייטרינו אלקטרון, ושני השלישים אחרים הם מסוג מיואון וטאו. המסקנה היתה כי שהנייטרינו-אלקטרון, הנפלטים מהשמש, משנים צורה בדרך והופכים לנייטרינו האחרים.

לא רק אנרגיה

אף על פי שקיום הנייטרינו נחזה ב-1930, והוכח 26 שנים לאחר מכן, המדענים לא הצליחו לפצח קושיה מרכזית אחת – האם לנייטרינו יש מסה, או שהוא חלקיק בעל אנרגיה בלבד. הסברה הרווחת היתה שהנייטרינו הוא רק אנרגיה, בדומה לחלקיקי האור (פוטונים), ואולם הממצאים של הגלאי הקנדי ושל הגלאי היפני טרפו את הקלפים. את שינוי הצורה אפשר להסביר (במונחים של פיזיקה קוונטית) רק אם לחלקיק הנייטרינו יש מסה זעירה משלו – גילוי ששינה את כל מה שחשבו המדענים קודם לכן.
המדענים שיחלקו את הפרס הם מנהלי הגלאים שבהם נעשו התצפיות. ארתור (ארט) ברוס מקדולנד (McDonald), נולד ב-1943 בנובה סקוטיה שבמזרח קנדה, שם עשה תואר ראשון ושני, בטרם פנה למכון הטכנולוגי של קליפורניה ללימודי דוקטורט. לאחר שעשה כמה שנים במרכז מחקר גרעיני בקנדה, קיבל משרת פרופסור באוניברסיטת פרינסטון היוקרתית, אך ב-1989 שב הבית לקנדה, וקיבל משרה באוניברסיטת קווין בקינגסטון, ומתוקף תפקידו ניהל את קבוצת המחקר בגלאי הנייטרינו בסאדבורי, לא הרחק מקינגסטון.
טקאאקי קאג’יטה (Kajita) נולד ב-1959 בהיגאשימצוימה שבמרכז יפאן. בגיל 27 כבר השלים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת טוקיו, ומונה לאיש סגל במכון לחקר הקרינה הקוסמית באוניברסיטה. הוא הוביל את הגילוי של הנייטרינו ה”חסרים”, ואחר כך, כראש צוות המחקר בגלאי קמיוקאנדה, היה אחראי לגילוי בדבר שינוי הצורה של הנייטרינו שמקורם בקרינה הקוסמית.

לגילוי בדבר המסה שחל הנייטרינו היו השלכות קשות על המודל הסטנרטי של החומר, המתבסס על ההנחה שלנייטרינו אין מסה אלא רק אנרגיה. הממצאים מחייבים את הפיזיקאים להתאים את המודל הסטנדרטי לנתונים החדשים, ולענות על שאלות רבות המתעוררות בדבר מבנה החומר. בין השאלות שעדיין פתוחות: מה היא בעצם המסה של הנייטרינו? האם יש עוד סוגי נייטרינו? ומה תכונותיהם? יתר על כן, המדענים סבורים כי הגילוי שלנייטרינו יש מסה, משמעותו שיש עוד חלקיקים תת-אטומיים שאיננו מכירים, ועוד כוחות הפועלים עליהם. מבחינת התמונה הרחבה יותר, פיצוח חידות הנייטרינו עשוי לסייע למדענים להבין שאלות מהותיות בנוגע לתולדות היקום, כמו למשל, מדוע יש ביקום כמות חומר גדולה הרבה יותר ממה שהמודלים המקובלים חזו, ולסייע לנו להבין את התהליכים שאירעו ביקום הצעיר מייד לאחר המפץ הגדול.

גלאי נייטרינו משוכללים במיוחד, כמו זה הפועל בעומק שכבת הקרח באנטארקטיקה , עשויים לשמש לא רק בחקר החלקיקים עצמם, אלא כמעין טלסקופים משוכללים, המסוגלים לענות על שאלות שאי אפשר לפתור בעזרת טלסקופים אופטיים.

עוד בנושא באתר הידען:

• שני חוקרים שגילו בנפרד שלניטרינו יש מסה זכו בפרס נובל לפיזיקה
• מדע על הקרח
• מגדלורי רפאים של פיזיקה חדשה
• חידת החומר האפל