ניסוי ה-2 CDMS מציג ממצאים חדשים על WIMPS, חלקיקים שעשויים להוות מרבית החומר ביקום שלנו
הודעה לעיתונות מטעם פרמילאב
קישור ישיר לדף זה:
https://www.hayadan.org.il/cdms0504.html
בעזרת המידע הראשוני מהמצפה התת-קרקעי בצפון מינסוטה, מדענים מניסוי ה-CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) החלו לחקור את ממלכת ה-WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles, חלקיקים מסיביים שכמעט אינם משפיעים על חומר ומושפעים ממנו) ברגישות גבוהה מאי פעם. גילו חלקיק WIMP עשוי להביא לפתרון שתי תעלומות בפיסיקה. האחת בתחום הקוסמי – בעיית החומר האפל, והשנייה בתחום התת-אטומי – תיאוריית הסופרסימטרייה.
התוצאות מניסוי ה-2 CDMS, המתוארות במאמר, שהוגש לכתב העת Physical Review Letters, מראה בוודאות של 90%, כי קצב האינטראקציה של חלקיק WIMP בעל מסה של 60 גא”ו חייב להיות נמוך מ-4 כפול 10 בחזקת 23- ס”מ בשנייה, או כאינטראקציה אחת כל 25 ימים לכל קילוגרם גרמניום, החומר הנמצא בגלאי הניסוי. התוצאות הללו מספרות לחוקרים יותר מידע על WIMPS, אם הם קיימים, משידעו עד כה. המדידות, שביצע גלאי ה-2 CDMS, מדויקות פי ארבעה מהמדידות הקודמות המדויקות ביותר, שסיפק ניסוי אדלוויס (EDELWEISS), ניסוי אירופאי תת-קרקעי, שנערך סמוך לגרנובל בצרפת.
“חישבו על השיפור ברגישות כטלסקופ חדש, בעל קוטר כפול, ולפיכך בעל יכולת מרובעת לקליטת אור,” אמר דובר הניסוי בלאס קבררה מאוניברסיטת סטנפורד. “כעת ביכולתנו לגלות אות, שעוצמתו רק רבע מקודם לכן. בשנים הקרובות אנו מתכוונים לשפר את הרגישות פי 20 או יותר.”
התוצאות מוצגות בפגישת אפריל של האגודה האמריקאית לפיסיקה ב-3 וב-4 למאי בדנבר על ידי הארי נלסון וסטודנט הבתר-דוקטורט ג'ואל סנדרס, שניהם מאוניברסיטת קליפורניה סנטה ברברה, ועל ידי גנשנג וונג ושרמילה קמט מאוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב.
“אנו יודעים, כי המודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים והמודל המקובל של היקום אינם מושלמים,” אמר דובר 2 CDMS ברנרד סדול מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. “נראה שהחתיכה החסרה הזאת מתאימה לשני הפאזלים. אנו מסתכלים על אותו הדבר משני כיוונים שונים.”
ה-WIMPS, שאינם נושאים כל מטען, מעלים כמה סתירות. בעוד שפיסיקאים מעריכים, שמסתם גדולה פי מאה מזו של הפרוטון, אופי הרפאים שלהם מאפשר להם לחלוף דרך חומר רגיל מבלי להותיר סימן כמעט. המונח “בקושי עושים אינטראקציה עם חומר” (Weakly Interacting) לא מתייחס לכמות האנרגיה, המועברת באינטראקציה, אלא לעובדה שהם עושים אינטראקציה לעיתים נדירות מאוד. למעשה, ייתכן שכמאה מיליארד WIMPS עברו דרך גופך, בעודך קורא את השורות האלה.
בעזרתם של 48 מדענים מ-13 מכונים ו-28 חברי צוות מהנדסים, טכנאים וחברי מינהלה, ניסוי ה-2 CDMS פועל במימון משרד המדע של המחלקה לאנרגיה של ארצות הברית, מחלקת האסטרונומיה והפיסיקה של הקרן הלאומית למדע ומכונים שונים. מעבדת המאיץ הלאומית פרמי של המחלקה לאנרגיה מנהלת את פרויקט ה-2 CDMS.
“הבנת טבעו של החומר האפל חיונית להבנתנו את היווצרות והתפתחות היקום,” אמר ד”ר ריימונד ל. אורבך, מנהל משרד המדע של המחלקה לאנרגיה. “הניסוי לא מצליח ללא שיתוף הפעולה הפעיל של משרד המדע של המחלקה לאנרגיה והקרן הלאומית למדע.”
מייקל טרנר, עוזר מנהל למדעי הפיסיקה והמתמטיקה בקרן הלאומית למדע, התייחס לזיהוי במרכיבים של החומר האפל כאחד האתגרים הגדולים ביותר הן באסטרופיסיקה והן בפיסיקה של חלקיקים.
“חומר אפל מחזיק את כל המבנים ביקום – כולל את הגלקסיה שלנו – ואנחנו עדיים לא יודעים ממה הוא עשוי,” אמר טרנר. “לפי התיאוריה, החומר האפל עשוי מסוג חדש של חומר. אם התיאוריה צודקת, היא תשפוך אור על החלקיקים האלמנטריים והכוחות ביניהם. בחיפוש אחר הפתרון לחידה הזאת, ה-CDMS נמצא בראש, עם שיפור של פי 20 שעתיד לבוא.”
מגלים חומר אפל בעזרת ההשפעות הגרביטציוניות שלו על בקנה מידה קוסמי, החל בגדילת המבנים היסודיים של היקום וכלה ביציבותן של גלקסיות כיום. מידע קוסמולוגי ממקורות רבים מאשר, שכמות החומר האפל גדולה פי 7 מכמות החומר הרגיל, היוצר כוכבים, כוכבי לכת ועצמים אחרים ביקום.
“משהו שם יצר את הגלקסיות ומחזיק אותן במצבן כיום, והוא אינו פולט או בולע אור,” אמר קבררה. “המסה של כוכבים בגלקסיה כלשהי מהווה רק 10% ממסת הגלקסיה כולה. הכוכבים הם כמו אורות עץ חג המולד, המקשטים את הסלון של בית גדול ואפל.”
כמו כן מאמינים פיסיקאים, כי ה-WIMPS עשויים להיות חלקיקי הניוטרלינו, שלא נתגלו עד כה. גילוי החלקיקים האלה יהווה ראיה לטובת תיאוריית הסופרסימטרייה (Supersymmetry), שכוללת פיסיקה חדשה מעבר למודל הסטנדרטי הקיים של החלקיקים האלמנטריים והכוחות ביניהם.
סופרסימטרייה חוזה, שלכל חלקיק ידוע יש חלקיק תואם סופרסימטרי בעל תכונות משלימות, אך מעולם לא נתגלה חלקיק כזה. ואולם, מודלים רבים של סופרסימטרייה חוזים, שלחלקיק הסופרסימטרי הקל ביותר, הנקרא ניוטרלינו (Neutralino), מסה גדולה פי 100 מזו של הפרוטון.
“תיאורטיקנים פיתחו את הרעיון הזה של 'חלקיקים סופרסימטריים תואמים' לחלקיקים הידועים כדי להסביר בעיות שונות בקנה המידה הקטן ביותר,” אמר דן אקריב מאוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב. “באחד מהקשרים המדהימים האלה בין הקטן ביותר והגדול ביותר, החלקיקים הסופרסימטריים הקלים ביותר עשויים להיות החלק החסר בפאזל של קנה המידה הגדול ביותר.”
צוות ה-2 CDMS מתרגל מה שנקרא “אסטרונומיה תת-קרקעית”, בעזרת גלאי חלקיקים, הממוקמים כחצי מייל מתחת לפני השטח במכרה ברזל ישן בסודן, מינסוטה. 2341 רגל של קרום כדור הארץ מגן על הגלאי מקרינה קוסמית והחלקיקים שהיא יוצרת. הגלאים עשויים מגרמניום וסיליקון, שניהם גבישים מוליכים למחצה בעלי תכונות דומות. מקררים את הגלאים לכעשירית המעלה מעל האפס המוחלט, טמפרטורה כה נמוכה, עד שהתנועה המולקולרית הופכת זניחה. הגלאים מודדים בו זמנית את המטען ואת התנודות, שיוצרות האינטראקציות בין החלקיקים בגבישים. יהיה ניתן לזהות את ה-WIMPS לפי העובדה, שהם יגרמו לשחרור פחות מטען על אותן תנודות.
“הגלאים שלנו פועלים כטלסקופ מצויד במסננים, שמאפשרים לאסטרונומים להבחין בין צבעי האור השונים,” אמר מנהל פרויקט ה-2 CDMS דן באוור ממעבדת פרמי. “רק שבמקרה שלנו, אנו מנסים לסנן חלקיקים רגילים ולקבל רק את ה-WIMPS.”
הפיסיקאי ארל פיטרסון מאוניברסיטת מינסוטה מפקח על המעבדה התת-קרקעית, המשמשת גם ביתו של ניסוי הנויטרינו ארוך הטווח של מעבדת פרמי, MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
“אני מתלהב מהתוצאות החדשות של ה-CDMS 2, ואני מברך את הצוות,” אמר פטרסון. “אני שמח שמתקני המעבדה התת קרקעית תרמו להצלחת 2 CDMS. אני מרוצה במיוחד מכך שהעבודה המשותפת של מעבדת פרמי ואוניברסיטת מינסוטה הולידה פיסיקה חדשה ומעניינת.”
עם המשכם של החיפושים אחר WIMPS בשנים הקרובות, או שיתגלה החומר האפל של היקום שלנו, או שתחום רחב של מודלים סופרסימטריים ישללו. כך או כך, לניסוי ה-2 CDMS יהיה תפקיד חשוב בקידום הבנתנו את הפיסיקה של חלקיקים ושל היקום.
המכונים, הלוקחים חלק בניסוי ה-2 CDMS, כוללים את אוניברסיטת בראון, אוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב, מעבדת המאיץ הלאומית פרמי, המעבדה הלאומית לורנס ברקלי, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, אוניברסיטת פרינסטון, אוניברסיטת סנטה קלרה, אוניברסיטת סטנפורד, אוניברסיטת קליפורניה ברקלי, אוניברסיטת קליפורניה סנטה ברברה, אוניברסיטת קולורדו בדנבר, אוניברסיטת פלורידה ואוניברסיטת מינסוטה.
מעבדת פרמי היא מעבדה של המשרד למדע של המחלקה לאנרגיה של ארצות הברית, הפועלת תחת איגוד האוניברסיטאות למחקר בע”מ.
תרגום: דיקלה אורן
קישור להודעה לעיתונות של מעבדת פרמי
רקע על הניסוי
דף הבית של הניסוי
ידען הפיסיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~836777581~~~60&SiteName=hayadan
