ממד חמישי נסתר עשוי ליצור תהודה טבעית של חומר אפל

מודל תאורטי חדש מציע כי הגאומטריה של ממד נוסף וקומפקטי קובעת באופן טבעי את היחס בין מסותיהם של חלקיק חומר אפל ופוטון אפל. התהודה המתקבלת עשויה להסביר כיצד החומר האפל קיים באינטראקציה חזקה יותר ביקום המוקדם, אך קשה כל כך לגילוי כיום

חומר אפל מספק את אחד ההסברים המרכזיים לתנועת הכוכבים בגלקסיות, להתפתחותם של צבירי גלקסיות ולמבנה הקוסמי בקנה מידה גדול. השפעתו הכבידתית ניכרת היטב, אך שום ניסוי עדיין לא זיהה ישירות את החלקיק או החלקיקים שמהם הוא עשוי.

כעת מציעים הפיזיקאים טאיגיו לי מאוניברסיטת אינדיאנה ויו־דאי צאי, החוקר בין השאר באוניברסיטת שפילד, כי אחת מתכונותיו המסתוריות של החומר האפל עשויה לנבוע מגאומטריה של ממד מרחבי חמישי שאיננו מסוגלים לראות. המודל התאורטי שלהם פורסם בכתב העת Physical Review D. ([journals.aps.org][1])

אין פירוש הדבר שהחוקרים גילו ממד חמישי או הוכיחו שהחומר האפל מסתתר בתוכו. הם בנו מסגרת מתמטית שבה חלקיקי המגזר האפל נעים גם בממד נוסף וקומפקטי, בעוד החלקיקים המוכרים מן המודל הסטנדרטי מוגבלים לארבעת ממדי המרחב־זמן המוכרים לנו. המודל מראה כי המבנה של הממד הנוסף יכול לייצר באופן טבעי יחס מסות מיוחד בין חלקיק החומר האפל לבין חלקיק נושא כוח המכונה פוטון אפל. ([arXiv][2])

ממד נוסף שאיננו רואים

בחיי היום־יום אנו מכירים שלושה ממדי מרחב וממד זמן אחד. בתאוריות פיזיקליות שונות הוצע כי קיימים ממדים מרחביים נוספים, אך הם קומפקטיים ומגולגלים בקנה מידה זעיר מכדי שנוכל להבחין בהם ישירות.

רעיון זה קשור לתאוריות קלוצה–קליין, שבהן שדה או חלקיק הנעים בממד נוסף נראים לצופה בארבעה ממדים כסדרה של חלקיקים בעלי מסות שונות. אלה מכונים אופני קלוצה–קליין. המסות אינן נקבעות באופן שרירותי בלבד, אלא תלויות בגודלו של הממד הנוסף ובתנאי השפה המוטלים עליו.

לי וצאי בחנו ממד חמישי בעל מבנה מתמטי המכונה אורביפולד. במודל שלהם, חלקיק חומר אפל פרמיוני ופוטון אפל נעים בממד הזה. תנאי השפה גורמים לכך שיופיעו אופנים מסוימים של החלקיקים ולא אחרים, וכך נוצרת קרבה טבעית בין מסת הפוטון האפל לבין פעמיים מסת חלקיק החומר האפל. ([arXiv][2])

מדוע יחס המסות חשוב?

כאשר המסה של חלקיק מתווך קרובה לאנרגיה הכוללת של שני חלקיקים הנפגשים, קצב האינטראקציה ביניהם עשוי לגדול מאוד. התופעה מכונה תהודה. היא דומה, באופן גס, למיתר או לחלל תהודה המגיבים בעוצמה גבוהה במיוחד לתדר המתאים להם.

במודלים של חומר אפל, תהודה עשויה להגביר את קצב ההשמדה ההדדית של חלקיקי החומר האפל ביקום המוקדם. לתהליך זה חשיבות רבה: כאשר היקום היה חם וצפוף, חלקיקי חומר אפל נוצרו והושמדו ללא הרף. עם התפשטות היקום והתקררותו ירד קצב התגובות, וכמות מסוימת של חומר אפל נותרה כשריד עד ימינו.

מודלים קודמים כבר השתמשו בתהודה כדי לקבל את הכמות הנכונה של חומר אפל, אך לעיתים נדרש לכוון את מסות החלקיקים בדיוק רב מאוד. שינוי קטן מדי במסה עלול להרחיק את המערכת מן התהודה ולשנות את התוצאה. במודל החדש, יחס המסות אינו מוכנס רק כהנחה: הוא נובע מן המבנה של הממד החמישי ומסדרת אופני קלוצה–קליין. ([sheffield.ac.uk][3])

לדברי צאי, חשיבות העבודה היא בהצעת מקור עמוק יותר לתהודה. במקום "לסדר ביד" את מסות החלקיקים כך שיתאימו זו לזו, הגאומטריה ותנאי השפה של הממד הנוסף מביאים אותן באופן טבעי לקרבה הנדרשת.

פעיל בעבר, חמקמק בהווה

התהודה יכולה לאפשר לחומר האפל לקיים אינטראקציות משמעותיות בתקופות מסוימות ביקום המוקדם, ובה בעת להסביר מדוע הוא נראה כמעט אדיש כיום. ביקום הנוכחי חלקיקי החומר האפל נעים באטיות יחסית, צפיפותם נמוכה בהרבה, והם אינם נמצאים תמיד בתנאים המדויקים שבהם התהודה חזקה ביותר.

בנוסף, במודל של החוקרים הצימוד בין החומר האפל לפוטון האפל הוא מסוג צירי־וקטורי. תכונה זו מדכאת את ההסתברות שחלקיק חומר אפל אטי יתנגש באלקטרון וייצור אות בגלאי. לכן ייתכן שהאינטראקציות היו חזקות דיין כדי להשפיע על התפתחות החומר האפל בעבר, אך הן חלשות מאוד בניסויי גילוי ישיר הנערכים כיום. ([arXiv][2])

הפוטון האפל עצמו הוא חלקיק היפותטי. בדומה לכך שהפוטון הרגיל נושא את הכוח האלקטרומגנטי, הפוטון האפל עשוי לשאת כוח הפועל בין חלקיקים במגזר האפל. הוא עשוי לקיים ערבוב חלש עם הפוטון הרגיל, וכך ליצור קשר זעיר אך ניתן לבדיקה בין המגזר האפל לבין חומר רגיל.

המודל מספק מטרות לניסויים

החוקרים חישבו באילו תחומי מסה ועוצמת אינטראקציה עשויים להימצא חלקיקי החומר האפל המתוארים במודל. הם התמקדו בין השאר בחומר אפל קל שמסתו נמוכה מגיגה־אלקטרון־וולט – פחות בקירוב ממסת הפרוטון.

לפי חישוביהם, חלק מתחום הפרמטרים עשוי להיבדק בדורות הבאים של ניסויים רגישים להתנגשויות בין חומר אפל לאלקטרונים. בין המתקנים הנדונים במחקר נמצאים Oscura, DAMIC-M, SENSEI, SuperCDMS-SNOLAB וגלאים עתידיים המבוססים על הליום על־נוזלי. גם ניסויי מאיצים ובהם Belle II,‏ NA64 ו־LDMX עשויים להציב מגבלות על המודל או לגלות סימנים המתאימים לו. ([arXiv][2])

לתהודה עשויה להיות השלכה נוספת: היא יכולה להגביר התנגשויות בין חלקיקי החומר האפל עצמם. חומר אפל בעל אינטראקציה עצמית הוצע כפתרון אפשרי לחלק מן הפערים בין הדמיות של הילות חומר אפל לבין המבנים הנצפים בגלקסיות קטנות. עם זאת, המחקר הנוכחי אינו מוכיח שהפערים האלה אכן נפתרים באמצעות המודל, אלא מסמן תחום נוסף לבדיקה תאורטית וניסויית.

השערה הניתנת לבדיקה – לא גילוי

המודל אינו קובע שהחומר האפל אכן נמצא בממד חמישי, וגם אינו מספק עדות ניסויית לקיומו של ממד כזה. הוא מראה שממד נוסף מסוג מסוים יכול לפתור באופן טבעי בעיית כוונון שהופיעה במודלים קודמים של חומר אפל תהודתי.

כוחו של הרעיון תלוי כעת ביכולת להפיק ממנו תחזיות המבדילות אותו ממודלים אחרים. אם ניסויי חומר אפל קל או מאיצי חלקיקים ימצאו אותות בתחום הפרמטרים שחישבו החוקרים, יהיה צורך לבדוק אם הם תואמים למערכת הכוללת פוטון אפל ואופני קלוצה–קליין. מנגד, תוצאות שליליות רגישות יותר יוכלו לצמצם את התחום האפשרי ואף לשלול גרסאות של המודל.

הממד החמישי נשאר לעת עתה מבנה תאורטי. ואולם, המחקר ממחיש כיצד הגאומטריה של ממדים שאינם נראים לעין עשויה להותיר חתימה ניסויית בעולם הארבע־ממדי המוכר לנו.

—

מקור ומאמר מקורי

• המאמר ב־Physical Review D: Naturally resonant dark matter from extra dimensions
• גרסה פתוחה של המאמר ב־arXiv
• הודעת אוניברסיטת שפילד על המחקר

שאלות ותשובות

האם החוקרים גילו ממד חמישי? לא. הם פיתחו מודל תאורטי שבו ממד חמישי קומפקטי יוצר באופן טבעי יחס מסות מיוחד בין חלקיק חומר אפל לפוטון אפל.

מהי תהודת חומר אפל? זהו מצב שבו היחס בין מסות החלקיקים מגביר מאוד אינטראקציות מסוימות, בדומה למערכת המגיבה בעוצמה לתדר התהודה שלה.

מהו פוטון אפל? חלקיק היפותטי העשוי לשאת כוח בין חלקיקי המגזר האפל. הוא שונה מן הפוטון הרגיל, וייתכן שיש לו מסה ואינטראקציה חלשה מאוד עם חומר רגיל.

האם אפשר לבדוק את המודל בניסוי? כן. המאמר מציג תחומי מסה ועוצמת אינטראקציה שניסויי גילוי ישיר ומאיצי חלקיקים עתידיים עשויים לבדוק.

עוד בנושא באתר הידען

• חוקרים מגרמניה: החומר האפל ובעיית ההיררכיה מוסברים בעזרת ממד נוסף
• מחקר חדש מציע שייתכן שהחומר האפל עשוי מפוטונים אפלים
• מודל חדש מציע שהחומר האפל אינו מורכב מסוג אחד של חלקיקים
• פריצת דרך בחיפוש אחר החומר האפל הקל: פרויקט QROCODILE מציב רף רגישות חדש
• האם הזוהר המסתורי במרכז שביל החלב נובע בכל זאת מחומר אפל?

לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי