חוקרים הצליחו ללכוד את “חלקיק היסוד האחרון”

הטאו ניוטרינו השאיר עקבות במעבדה; למרות שכבר לפני שנים נמצאו שני סוגים של חלקיקי ניוטרינו, את הטאו ניוטרינו לא הצליחו המדענים לגלות עד עתה.

מאת תמרה טראובמן

בסוף השבוע הודיעו פיסיקאים כי הצליחו לגלות את חלקיק הטאו ניוטרינו – החלקיק היחיד שעדיין לא התגלה מבין חלקיקי היסוד המרכיבים את החומר ביקום. חלקיקי הניוטרינו נוצרים במקומות בהם יש אנרגיה רבה כמו השמש, ומרחפים באופן חופשי. הטאו ניוטרינו, הוא החלקיק המסתורי ביותר מבין שלושת סוגי הניוטרונים, העוברים דרך כל חומר – כמו רוחות רפאים – בלי להשאיר סימן ואי אפשר לראותם או לחוש בהם. למעשה, הטאו ניוטרינו כה חמקמק, עד כי חלק מהפיסיקאים הטילו ספק אם אי פעם יוכלו להבחין בו באופן ישיר.

צוות המחקר – המונה 54 פיסיקאים מארה”ב, יפאן, דרום קוריאה ויוון – איתר את הטאו ניוטרינו בעזרת מאיץ החלקיקים החזק ביותר בעולם, “Tevatron”, הנמצא במעבדה הלאומית על שם פרמי בשיקגו, ובאמצעות מכשירי סריקה שסרקו טונות של חומר כדי לגלות בהם את העקבות הזעירים של החלקיק הנדיר.

“כל ניסוי שקשור לניוטרינו הוא הרפתקה לא פשוטה”, אומר פרופ' שמואל אליצור, ממכון רחק לפיסיקה באוניברסיטה העברית, בתגובה לתגלית. לדבריו, “עצם הגילוי הוא מבצע מרשים”.

לחלקיקי הניוטרינו כמעט אין מסה ואין לו מטען חשמלי. הוא יכול לעבור דרך כל דבר בלי הפרעה. הפיסיקאי פרופ' חיים הררי, נשיא מכון ויצמן למדע, אומר כי “דבר לא יכול לעצור אותו, הכל כאילו שקוף בעבורו. ממש עכשיו מיליארדי חלקיקי ניוטרינו עוברים דרך הגוף שלנו, בלי שנשים לב”.

דבר נוסף שהקשה על הגילוי הוא שאף על פי ששני אחיו של הטאו ניוטרינו – האלקטרון ניוטרינו והמיואון ניוטרינו – מאוד שכיחים, הוא עצמו נוצר רק לעתים נדירות, מפני שדרושה להיווצרותו אנרגיה גדולה במיוחד. בשל נדירותו, הסיכוי שהוא יפגע בחומר וישאיר בו עקבות הוא כמעט אפסי. ואולם בהתבסס על חישובים מתמטיים ותוצאות של ניסויים קודמים, הפיסיקאים היו משוכנעים שהטאו ניוטריונו חייב להתקיים. עם זאת, החלקיק הצליח לחמוק מהם במשך 25 שנה.

בניסוי שערכו, שיגרו החוקרים אלומה של כ-100 טריליון חלקיקי ניוטרינו, ובתוכם גם מעט חלקיקי טאו ניוטרינו. הקרן פגעה בסנדוויץ' של לוחות ברזל ולוחות מרוחים באמולסיה, החומר המצוי גם בסרטי צילום. כאשר טאו ניוטרינו פוגע באטום של ברזל, ההתנגשות ביניהם מייצרת חלקיק מסוג טאו. כאשר הטאו פוגע בלוח האמולסיה הוא משאיר עליו סימן. המדענים פיתחו את הלוחות במעבדה, וסורק ותוכנת מחשב איתרו את הקטעים האלה. לקח לצוות שלוש שנים לנתח את תוצאות הניסוי. הם גילו ארבעה חלקיקי טאו ניוטרינו, שיצרו באמולסיה עקבות קטנות אבל ברורות. “התגלית הזאת נותנת את האבן האחרונה ברשימת אבני הבניין של החומר”, אומר פרופ' הררי.

כל חלקיקי היסוד המהווים את אבני הבניין של החומר כלולים במה שמכונה “המודל הסטנדרטי” – מודל תיאורטי המתאר את המאפיינים שלהם. לפי המודל, יש שני סוגים של אבני בניין: הקוורקים, שמהם מורכבים כל גרעיני האטומים של כל חומר ביקום – מהאדם ועד לזהב – והלפטונים, הכוללים את האלקטרון וחלקיקי המיואון והטאו (הדומים לו בהכל מלבד במסה שלהם) ואת חלקיקי הניוטרינו.

לפי המודל הסטנדרטי היה נראה כי לניוטרינו אין מסה. אבל לפני כשנה, התגלו בניסוי ביפאן עדויות לכך שיש כנראה מסה קטנה, שהמדענים לא הצליחו לקבוע מהי. “הדבר שכולם מחכים לו בנשימה עצורה זה מידע על המסה של הטאו ניוטרינו”, אומר פרופ' הררי.

ידיעת המסה של הטאו ניוטרינו עשויה לפתור כמה תעלומות, כמו באיזו מידה חלקיקי הניוטרינו תורמים לכלל המסה שביקום. לפי אחת ההשערות, הניוטרינו מהווה חלק מ”החומר האפל” – חומר בלתי נראה, שעל סמך תצפיות עקיפות חושבים שהוא מהווה יותר מ-%80 מהחומר שביקום.

פרופ' הררי אומר שעל אף שהטאו ניוטרינו נראה כמתמודד בעל סיכויים טובים, נראה שרוב החומר האפל לא עשוי ממנו. בניסוי שהחל לפני חמש שנים במאיץ החלקיקים CERN שבז'נבה, ניסו להעריך את המסה של החלקיק. הררי, שהשתתף בתכנונו, אמר שהניסוי נעשה בצורה כזאת שאפשר היה לגלות רק מסה הגדולה מאלקטרון וולט אחד (יחידה למדידת מסה). לדבריו, מאחר שעד כה לא התקבלו תוצאות המראות שיש לו מסה, כנראה שאם הוא מהווה חלק מהחומר האפל, הרי שזה רק חלק קטן ממנו.

מספר ניסויים אחרים בעולם מנסים להעריך את המסה של הניוטרינו במכשירי מדידה רגישים יותר. “אני לא אתפלא אם כבר בזמן הקרוב נשמע על תוצאות של מדידות חדשות של המסה”, אמר פרופ' הררי.

קיומו הוצע בשנות ה-30'

הפיסיקאי וולפגנג פאולי היה הראשון שהציע את קיום חלקיקי הניוטרינו, בשנות השלושים. זאת, לאחר שפיסיקאים שקדמו לו הבחינו בתהליך ההתפרקות הרדיואקטיווית, בו נפלט מהאטום אלקטרון, והאטום נהפך לאטום אחר. ואולם, ניסיונות נוספים הראו שלאלקטרון הנפלט מגרעין האטום יש כל פעם אנרגיה שונה והיא תמיד קטנה מהצפוי לפי החישוב התיאורטי. המדידות האלה עמדו בניגוד לחוק שימור האנרגיה.

פאולי העלה את הרעיון שבהתפרקות נפלט חלקיק נוסף, חמקמק ובלתי נראה, חסר מסה, שכמעט אף כוח לא פועל עליו, ולכן הוא עובר בקלות דרך כל חומר. החלקיק הזה – שהוענק לו השם ניוטרינו – פשוט “גונב” חלק מהאנרגיה. מאז עברו כמעט שלושים שנה עד שפיסיקאי בשם פרד ריינס גילה את חלקיק הניוטרינו הראשון, בניסוי שזיכה אותו בפרס נובל ב-95'.
{הופיע בעיתון הארץ, 23/7/2000}
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~326931368~~~95&SiteName=hayadan