על המאמץ המחקרי לפיענוח מהותו ותכונותיו של החומר האפל, באמצעות מדידת אינטראקציות בינו לבין חלקיקי חומר אחרים
החומר המסתורי שאנו מכנים “החומר האפל”, הוא, ככל הנראה, חומר מסוג חדש, שטרם התגלה, אשר מורכב מחלקיקים לא מוכרים שמצויים סביבנו, בכל מקום ובכל רגע נתון.
פיזיקת החלקיקים היא ענף בפיזיקה שחוקר את החלקיקים היסודיים ואת התגובות והכוחות הפועלים ביניהם. החלקיקים היסודיים הם אבני הבניין של החומר (אשר אינם מורכבים מחלקיקים אחרים) – ובהם אלקטרונים, קווארקים, פוטונים וגלואונים – וקיימות ביניהם אינטראקציות (כגון פעולה הדדית, הכוח שהם מפעילים זה על זה או התנגשות אנרגטית ביניהם). באמצעותם ניתן לגלות מידע חדש על העולם שסביבנו ועל החומרים שמרכיבים אותו. חלקיקים יסודיים רבים אינם מופיעים במצבים רגילים בטבע אך יכולים להיווצר ולהתגלות במהלך התנגשויות אנרגטיות של חלקיקים אחרים, כפי שקורה, למשל, במאיצי חלקיקים.
פרופ׳ יונית הוכברג ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים, היא פיזיקאית תיאורטיקאית בתחום פיזיקת החלקיקים. פיזיקאים תיאורטיקאים משתמשים בכלים תיאורטיים ומתמטיים כדי לתאר מערכות פיזיקליות טבעיות ולספק ניבויים על התנהגותן שניתן לבחון בניסויים ותצפיות. פרופ׳ הוכברג אומרת ש”בפיזיקת חלקיקים אנו שואלים שאלות בסיסיות על הטבע, מאילו חלקיקים יסודיים הוא מורכב, ואיך הם מתקשרים זה עם זה. בנוסף אנחנו מנסים להבין איך נוצרו היקום, הגלקסיות והכוכבים, לפענח את ההיסטוריה הקוסמולוגית, עד למפץ הגדול”.
כדי לענות על שאלות אלה, מסתמכים החוקרים בעיקר על המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים – אשר מתאר את כל 17 החלקיקים היסודיים שאנו מכירים. עם זאת, אומרת פרופ׳ הוכברג, “מצד אחד המודל מדויק להפליא. מצד שני אנחנו יודעים שיש חלקיקים וחומרים רבים שהמודל לא מתאר, שיש לנו סימנים ורמזים לקיומם. כך למשל אנחנו יודעים שביקום יש פי חמישה חומר אפל, בהשוואה לכמות החומר הרגיל (החלקיקים היסודיים), שאנו מכירים; והמודל הסטנדרטי כלל לא מתאר אותו. מצב עניינים זה רומז שהמודל הסטנדרטי הוא, ככל הנראה, רק קצה הקרחון לתיאור העולם”.
החומר האפל הוא חומר משוער בפיזיקה, שאי אפשר לראות אותו. חוקרים רבים מניחים שהוא קיים, על בסיס השפעותיו על כוח הכבידה, שבין השאר מתבטאות בתנועת כוכבים. “אנו יודעים מתצפיות ומדידות של קרינת הרקע הקוסמית, תנועת כוכבים בגלקסיות והתאבכות האור בחלל, שקיים כוח משיכה שמופעל, כנראה, על-ידי החומר האפל. נראה שהחומר הזה חיוני להתפתחות היקום וכי הוא בעל תפקיד מרכזי ביצירת גלקסיות וכוכבים. כלומר, החומר האפל נמצא סביבנו כל הזמן, אי אפשר לראות אותו אבל ניתן לחוש בו. לפיכך אנו מנסים להתחקות אחר זהותו – מהם החלקיקים שמרכיבים אותו, תכונותיהם והאופן שבו הם מתקשרים בינם לבין עצמם ועם החלקיקים היסודיים”, מסבירה פרופ׳ הוכברג.
פרופ׳ הוכברג מציעה רעיונות שיתרמו לפענוח מהותו ותכונותיו של החומר האפל, בהם מדידת אינטראקציות בינו לבין חלקיקים אחרים, כלומר מדידת אנרגיה שתגרום לו להתגלות. במחקרה האחרון שנתמך במענק מהקרן הלאומית למדע, היא הציעה כי חומרים כגון סיליקון ויהלומים, שמורכבים מאלקטרונים, עשויים לסייע בכך. לדבריה, “החומר האפל נע בינינו כל הזמן, ואם הוא קל – ניתן לחוש את תנועתו בעקבות תזוזה של חומר קל. אם בניסוי שיבחן חומרים כגון סיליקון ויהלומים הגלאי יחוש בהתנגשות חלקיקים – נדע שהאלקטרונים התנגשו בחומר האפל. רוב הניסויים כיום תרים אחרי החומר האפל בתחום מסה כבד. אני מנסה לפתוח צוהר לניסויים חדשים שיחפשו אותו במגוון תחומי מסה – למשל במסה קלה הדומה לאלקטרון ולא לפרוטון. אם נחפש את החומר האפל רק בתחום מסה אחד, לא בטוח שנוכל לגלותו”.
פרופ׳ הוכברג מציעה ליצור גלאי של ננו-חוטים מוליכי-על, במשקל מיליארדית הגרם. גלאי כזה יהיה רגיש לאנרגיות קטנות ולכן יוכל לחוש אינטראקציה עם חומר אפל קל,
בנוסף, מציעה פרופ׳ הוכברג ליצור גלאי של ננו-חוטים מוליכי-על, במשקל מיליארדית הגרם. “מוליכי-על רגישים לאנרגיות קטנות ולכן יכולים לחוש אינטראקציה עם חומר אפל קל”, היא אומרת. “יתרון נוסף גלום בעובדה שרמת הרעש שלהם נמוכה – הם מגיבים פחות לחלקיקים אחרים בסביבה ויופעלו בהתנגשות עם החומר האפל”.
חלק מהניסויים המתבססים על רעיונות אלו כבר יצאו לדרך ונמצאים בשלבים מתקדמים. “אני בקשר הדוק עם פיזיקאים נסיינים ומציעה להם חומרים בעלי רגישות גבוהה לחומר האפל כדי להעלות עד כמה שניתן את הסיכוי שיתגלה. ייתכן שכך נוכל לגלותו בתחום מסות שאף אחד עוד לא חקר”, מסכמת פרופ׳ הוכברג.
החיים עצמם:
פרופ׳ יונית הוכברג, נשואה (לפיזיקאי) + שני ילדים (3, 5), גדלה בירושלים ומתגוררת בה גם כיום. אוהבת לטייל, לקרוא ולשחק עם הילדים וחובבת תנינים.
עוד בנושא באתר הידען:
- על פני הזמן והמרחב: המסע האפי של כוכב מסתורי אל מרכז שביל החלב
- אסטרונומים מגלים פרצי רדיו מהירים עוצמתיים המשפדים גלקסיות סמוכות ומסייעים במציאת החומר האפל
- מחקר חדש מציע שייתכן שהחומר האפל עשוי מפוטונים אפלים
- החומר האפל: האם עלינו להיות כל כך בטוחים שהוא קיים? כך הפילוסופיה יכולה לעזור
- מנכ”ל Cern רולף הוייר: החלום שלי הוא שנמצא את החלקיק הראשון של החומר האפל. כתבה ראשונה בעקבות סיור במתקני Cern
