החומר האפל – מגששים בעלטה

האם החומר האפל יתגלה גם במאיץ החלקיקים? ראיון עם פרופ' יורם רוזן מהטכניון, חבר הקבוצה הישראלית ב-CERN

לפני כמעט 100 שנים פרסם אלברט איינשטיין את תורת היחסות הכללית שהעניקה לנו הבנה ראשונה מסוגה על מבנה היקום ועל הכוחות הפועלים בו. ואולם, איינשטיין יצא מהנחת יסוד שהיקום הוא סטטי, ואינו משתנה. שנים אחדות לאחר מכן, הוכיח האסטרונום אדווין האבל כי היקום דווקא כן משתנה – הוא גדל ומתנפח כל הזמן. באופן פרדוקסלי, התגלית הזו התאימה למשוואות היחסות, ואפשרה לאיינשטיין לבטל תיקון שהכניס בהן כדי להסביר את היקום הסטטי. בעשורים האחרונים התברר כי לא רק שהיקום מתרחב, אלא שקצב ההתפשטות שלו גדל והולך כל הזמן, גילוי שזיכה את סול פרלמוטר, בראיין שמידט ואדם ריס בפרס נובל בפיזיקה ב-2011.

חוץ מהסוגיה של הרחבות היקום, היחסות הכללית של איינשטיין הוכיחה עצמה מאז שוב ושוב, ואומתה בטכנולוגיות רבות שלא היו קיימות בזמנו. ואולם, בהבנה שלנו את היקום, עדיין יש חור גדול מאוד. הבעיה העיקרית היא, שבשביל שהיקום ימשיך להתפשט כפי שאנו יודעים כעת שקורה, צריך להיות בו הרבה יותר חומר. כל הגלקסיות והכוכבים שאנו רואים ושאנו משערים את קיומם, הם רק חמישה אחוזים מהמסה שאמורה להיות ביקום. איפה שאר ה-95% של חומר? איש אינו יודע. בעיה נוספת של מחסור במסה התגלתה במדידת התנועה של גלקסיות מסויימות. תנועת כוכביהן מחייבת עוד חומר, שלכאורה אינו קיים שם. "חומר אפל הוא שם שניתן כפתרון לבעיה קוסמולוגית, גרביטציונית, שבה ראינו שהגלקסיות, כל היקום, לא מתנהג על פי כמות החומר שיש בו", מסביר פרופ' יורם רוזן מהטכניון.
"כדי להסביר את זה המצאנו שם – חומר אפל. אנו לא יודעים מהו, עכשיו אנו צריכים לחפש אותו. יש הרבה רעיונות ותיאוריות מה מרכיב אותו, מה הוא, אבל זה לא משנה. אנו צריכים למצוא אותו בלי תלות במודל או בתיאוריה".

החתיכה החסרה

רוזן מחלק את זמנו בין הטכניון לבין CERN, מאיץ החלקיקים הענקי בשווייץ, שם היה חבר בצוות שגילה את בוזון היגס אחרי שנים ארוכות של חיפושים. כעת הוא מקווה שבעזרת המאיץ, יוכלו המדענים לגלות חלקיקים לא מוכרים, שיוכלו לפתור את חידת החומר האפל. על פי התיאוריה המקובלת, קיימים בטבע ארבעה כוחות: הכוח הגרעיני החזק, שמחזיק יחד את החלקיקים בגרעין האטום; הכוח האלקטרומגנטי, האחראי למשיכה ולדחייה בין מטענים חשמליים שונים; הכוח הגרעיני החלש, הפועל גם הוא בין חלקיקי יסוד; וכוח הכבידה, הגורם למשיכה בין גופים על פי המסה שלהם. הכבידה אמנם מניעה את הכוכבים והגלקסיות במסלוליהם, אך היא חלשה בהרבה מהכוחות האחרים. כדי למצוא מועמד לחומר אפל, מנסים המדענים לחפש במאיץ חלקיק שמגיב רק עם כוח הכבידה, ולא עם שום כוח אחר. חלקיק כזה, כמובן, קשה מאוד לגילוי. "אנו מחפשים אותו בעיקר ע"י חיפוש של מה שאנו לא רואים", מסביר רוזן. "הלא אם הוא חומר אפל, שלא מבצע אינטראקציה עם שום דבר למעט גרביטציה, הוא גם לא יבצע אינטראקציה עם הגלאי שלנו. אז הטכניקה תהיה לחפש את החסר. סך כל התנע או סך האנרגיה בהתנגשות חלקיקים במאיץ, צריך לתת לנו את מה שהכנסנו. זה משחק סכום אפס, ואם אנו לא מגיעים לאפס מחדש, כשסופרים את הכול, חסר לנו משהו בכיוון מסוים, וזו האנרגיה החסרה. היא יכולה להיות סימן לחומר אפל".

אם הוא קיים

מאיץ החלקיקים מושבת כעת לצורך שדרוג. בשנה הבאה הוא אמור לחדש את פעילותו, וליצור התנגשויות של פרוטונים באנרגיה גבוהה יותר ממה שנוסה אי פעם. בהתנגשויות האלה מתפרקים החלקיקים למרכיבי היסוד שלהם, והחוקרים מקווים כי הגדלת העוצמה של ההתנגשויות תביא לחשיפתם של חלקיקים רבים שטרם התגלו, בהם אולי גם החומר האפל. "האם הגדלת האנרגיה פירושה שאנו מגדילים את הסיכוי למצוא חומר אפל? אפשר לחלק את התשובה הזאת לשניים", אומר רוזן. "אם החלקיק הזה, החומר האפל, או כל מה שהוא לא יהיה, לא נמצא שם, בתחום האנרגיות שנגיע אליו, אז לא שינינו שום דבר בסיכויים. אם הוא כן נמצא שם, אנו משפרים מאוד את הסיכויים. על זה אנחנו בונים, אבל אסור לשכוח שאם הוא לא נמצא, לא נוכל למצוא אותו".

ככה זה מדע

אם אמנם קיימים חלקיקים של חומר אפל המגיבים רק עם כוח הכבידה, הם צריכים להיות נפוצים הרבה יותר מחלקיקי החומר המוכרים לנו (שהם, כאמור רק 5% מהמסה ביקום). המדענים מעריכים כי בעבר הרחוק הפיזור שלהם היה אחיד, וכיום הם מרוכזים באזורים מסוימים ביקום, בעיקר מסביב לגלקסיות. "אם אכן יתגלו חלקיקי חומר אפל, זו תהיה מהפכה ענקית בפיזיקה", מתלהב רוזן. "כל הפיזיקה תשתנה לחלוטין. פתאום נבין שיש הרבה יותר מעבר לכל מה שאנו יודעים. זה יהיה משהו שהוא פשוט 'ואוו!'. אין לנו פיזיקה שמסבירה את זה, אז נתחיל לבנות אותה". לעומת זה, קיימת גם האפשרות כי חלקיקי החומר האפל אינם קיימים, לפחות לא באופן שיכול להתגלות במאיץ החלקיקים. "משהו קיים", קובע רוזן. "האם הוא לא קיים כמו שאנו חושבים? ייתכן. האם זה מטריד אותי? אני חי עם זה... לפעמים אתה חושב אם כל העבודה שאנו עושים היא לא לחינם. לא נוכל לדעת עד שלא נסיים אותה, אבל ככה זה מדע".

אור באפלה

גם אם יתגלה החומר האפל, זה יהיה כאמור רק פתרון חלקי לחידת ההתרחבות המואצת של היקום. החומר אפל, שאמור לייצג בעיקר את המסה החסרה בשולי הגלקסיות, אמור על פי התיאוריות להיות כ-25% אחוזים מהמסה ביקום. את השאר - כ-70% - מייחסים המדענים לאנרגיה אפלה, שאמורה להסביר את אותה התפשטות מואצת (שהרי לפי איינשטיין, מסה ואנרגיה הן שתי צורות של מהות אחת). אם את החומר האפל אפשר לחפש לפחות במאיץ חלקיקים, בעניין האנרגיה האפלה, למדענים אין אפילו קצה חוט, ולא ממש יודעים היכן לחפשה. לפני כמה עשרות שנים כבר היו חוקרים שדיברו על "קץ הפיזיקה" משום שהכול כבר התגלה. כעת, כולם יודעים שיידרש עוד זמן רב בטרם יצליחו המדענים לשפוך קצת אור על הסודות האפלים של היקום.

** הריאיון עם פרופ' רוזן התקיים במסגרת ביקור כתבים במאיץ החלקיקים, בהזמנת CERN והאקדמיה הלאומית הישראלית למדעים **

עורך אתר הידען השתתף גם הוא במשלחת ועד כה פרסמנו באתר את הכתבות הבאות: