# גישוש באפלה אחר החומר האפל

> עד לאחרונה תלו פיזיקאים תקוות בחלקיקים המכונים WIMPs אבל בעקבות אכזבות שנחלו בזמן האחרון הם מפנים את מבטם לכיוונים אחרים מאת לי בילינגס, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 08.11.2016 הפיזיקה שוב החמיצה מפגש שתוכנן זמן רב מראש. בחיפושים האחרונים והרגישים ביותר עד כה אחר החלקיקים שמהם משערים שעשוי החומר האפל – החומר הבלתי נראה שעשוי להכיל 85% מן המסה ביקום – שוב לא נמצא דבר. ייתכן…

- Canonical: https://www.hayadan.org.il/groping-in-the-dark-for-dark-matter-1802172
- Author: סיינטיפיק אמריקן ישראל
- Published: 2017-03-18T00:10:41+02:00
- Modified: 2017-03-02T22:35:46+02:00
- Sections: אסטרופיזיקה, מדעים מדויקים
- Topics: LUX, WIMPS, אסטרופיזיקה, אקסון, אקסיון, החומר האפל, וימפים, חומר אפל, חומר אפל ואנרגיה אפלה, חלקיקים, מאיץ ההדרונים הגדול, ניסוי הקסנון התת־קרקעי הגדול, פיזיקה, פיזיקת חלקיקים

## Article

עד לאחרונה תלו פיזיקאים תקוות בחלקיקים המכונים WIMPs אבל בעקבות אכזבות שנחלו בזמן האחרון הם מפנים את מבטם לכיוונים אחרים [מאת לי בילינגס, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל](http://www.sciam.co.il/%D7%92%D7%99%D7%A9%D7%95%D7%A9-%D7%91%D7%90%D7%A4%D7%9C%D7%94-%D7%90%D7%97%D7%A8-%D7%94%D7%97%D7%95%D7%9E%D7%A8-%D7%94%D7%90%D7%A4%D7%9C/) 08.11.2016 הפיזיקה שוב החמיצה מפגש שתוכנן זמן רב מראש. בחיפושים האחרונים והרגישים ביותר עד כה אחר החלקיקים שמהם משערים שעשוי החומר האפל – החומר הבלתי נראה שעשוי להכיל 85% מן המסה ביקום – שוב לא נמצא דבר. ייתכן שהחלקיקים החמקמקים האלה, המכונים בקיצור "וימפים" ([WIMPs](https://en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles), מילולית: "חלשלושים", ראשי תיבות באנגלית של שמם), מתחבאים טוב יותר מכפי שהעלו בדעתם הפיזיקאים. אבל ייתכן גם שהם אינם קיימים כלל, כלומר שיש פגם יסודי ועמוק בהסברים שבעזרתם אנו מנסים להבין את היקום. מדענים רבים מוסיפים לקוות שגרסאות משופרות של הניסויים יימצאו עדויות לקיומם, אבל אחרים בוחנים מחדש רעיונות וגישות על אודות החומר האפל שבמשך זמן רב נחשבו לבלתי מתקבלים על הדעת. התוצאה המאכזבת הראשונה בקיץ 2016 באה מניסוי הקסנון התת־קרקעי הגדול ([LUX](https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Underground_Xenon_experiment)). הניסוי הזה התבסס על מתקן שבמרכזו שליש טונה של קְסֶנוֹן נוזלי שצונן לטמפרטורה של מינוס 100 מעלות צלזיוס. כדי להגן על הגלאי הזה מפני רוב זיהומי הקרינה הוא הוצב בתוך מכל מים ונטמן בעומק חצי קילומטר מתחת לגבעות השחורות של דרום דקוטה. החוקרים חיכו במשך יותר משנה להבזקי אור שהיו אמורים להיפלט מפגיעות של וימפים בגרעיני הקסנון. ב־21 ביולי 2016 הם הודיעו שלא נצפו הבזקים כאלה. הדיווח המאכזב השני הגיע ב־5 באוגוסט 2016 ממאיץ ההדרונים הגדול,[LHC](https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider), של הארגון האירופי למחקר גרעיני, CERN. מתקן זה, הממוקם על יד ז’נבה, הוא מאיץ חלקיקים החזק ביותר שנבנה מעולם. החל באביב 2015 ניסו למצוא בעזרתו וימפים באמצעות התנגשויות בין פרוטונים ברמות אנרגיה חסרות תקדים ובתדירות של מיליארדי התנגשויות בשנייה: תנאים שפרצו את הגבולות שאליהם הגיעה הפיזיקה החלקיקית לפני כן והביאו אותה למחוזות חדשים. בשלב מוקדם של הניסוי גילו שני צוותים חריגה בתוצאות ההתנגשויות התת־אטומיות: אנרגיה עודפת שרמזה על תופעות פיזיקליות חדשות שייתכן שווימפים גורמים להן (אם כי כבר אז, יש להודות שזו הייתה רק אחת בין אפשרויות אקזוטיות נוספות). אלא שככל שמאיץ החלקיקים יצר יותר התנגשויות ונאספו יותר נתונים, החריגה הזאת היטשטשה, דבר שהעיד על כך שהתוצאות המוקדמות לא היו אלא סטיות סטטיסטיות. שתי התוצאות השליליות האלה יחד הן חרב פיפיות מבחינת חקר החומר האפל. מצד אחד הן הבהירו מגבלות מסוימות בנוגע למסות ולדרגת האינטראקציה של הווימפים שלאורן אפשר לתכנן דור חדש של גלאים שיוכלו להגדיל את סיכויי ההצלחה. מצד אחר, הן שללו חלק מן המודלים הפשוטים והאהובים ביותר של וימפים, דבר שהעלה חששות חדשים שמא מודל הווימפים אינו אלא סטייה בת כמה עשרות שנים מן הדרך הנכונה למציאת החומר האפל. [אדוארד (רוקי) קולבְּ](http://astro.uchicago.edu/~rocky/), קוסמולוג העובד כיום באוניברסיטת שיקגו ושעזר בשנות ה־70 להניח את היסודות לציד הווימפים, הכריז בעבר ששנות העשרה של המאה ה-21 יהיו "עשור הווימפים". אבל כיום הוא מודה שהחיפוש לא התקדם כמתוכנן. לדבריו, "אנחנו שרויים היום באפלה גדולה יותר מאשר לפני חמש שנים בנוגע לחומר האפל." עד כה, הוא מסביר, תגובתם של רוב התיאורטיקנים הייתה בסגנון "יפרחו אלף וימפים": הם בנו תיאוריות מורכבות ואקזוטיות יותר ויותר כדי להסביר מדוע אף אחד מן הגלאים לא הצליח לגלות את החלקיקים האלה אף על פי שהם אמורים להיות נפוצים כל כך. למצוד אחר וימפים יש שתי סיבות תיאורטיות הכרוכות זו בזו. הראשונה היא שחלקיקים אלה נגזרים באופן טבעי מאחת ההרחבות הפופולריות ביותר למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, שלפיו הם היו אמורים להיווצר זמן קצר לאחר המפץ הגדול. השנייה היא שלפי החישובים הישירים ביותר, אם וימפים קדמוניים כאלה אכן קיימים, כַּמוּתָם והתנהגותם בימינו מתאימות כמעט בדיוק לכמויות ולתכונות החומר האפל שעליהן מורות התצפיות. ההתאמה הזאת (המכונה "נס הווימפ") היא הסיבה שבגללה נמשכו החיפושים במשך עשרות שנים. אבל כעת יש תיאורטיקנים המטילים ספק בתוקפו של המודל הזה. לדוגמה, ב-2008 הראו [ג’ונתן פנג](http://hep.ps.uci.edu/~jlf/) ו[ג’ייסון קוּמָר](https://www.phys.hawaii.edu/people/faculty/kumar.html), שני פיזיקאים שעבדו אז באוניברסיטת קליפורניה באירוויין, כיצד תופעה המכונה "סופר־סימטריה" יכולה ליצור משפחה היפותטית של חלקיקים קלים הרבה יותר מווימפים ועם אינטראקציות חלשות הרבה יותר עם חומר רגיל מאלה המיוחסות לווימפים. "התוצאה עם חלקיקים אלה היא אותה כמות של חומר אפל שאנו רואים כיום, אבל הם אינם וימפים," אומר פנג. "הרעיון הזה מעורר טלטלה בפיזיקה מפני שהוא עומד על יסודות תיאורטיים טובים לא פחות. אנחנו קוראים לו ['הַנֵּס החף מווימפים'](https://arxiv.org/abs/0803.4196)." בעקבות היחלשות היסודות התיאורטיים למודלים הפשוטים של וימפים, לצד הרשימה המתארכת של מאמצי הגילוי שהעלו חרס כולם, התחילו פנג ורבים אחרים לשקול את האפשרות שווימפים הם חלק מתמונה מורכבת יותר: ממלכה נסתרת ביקום, המלאה בחלקיקים אפלים המקיימים אינטראקציות זה עם זה במערך של כוחות אפלים, ואולי מחליפים מטענים אפלים בהבזקי אור אפל. מודלים כאלה, של "מגזרים אפלים" שלמים ביקום, מאפשרים לחוקרים לשחק עם הרבה יותר משתנים, דבר שמאפשר לבנות אותם כך שיתאימו למגבלות העובדתיות ההולכות ומחמירות בעקבות הצטברות של נתונים חדשים על אודות החומר האפל. החיסרון של הגמישות הרבה הזאת היא שקשה מאוד לבדוק את נכונותם של המודלים האלה. "עם המגזר האפל אנחנו חופשיים להמציא כמעט כל מה שאנחנו רוצים," אומר [דייוויד ספרגל](http://www.astro.princeton.edu/~dns/), אסטרופיזיקאי באוניברסיטת פרינסטון. "ללא 'נס הווימפ' שהנחה אותנו בעבר, המרחב למודלים אפשריים עצום. זהו מגרש משחקים שבתוכו איננו יודעים מה לבחור מבין האפשרויות שהוא מציע. כדי לדעת לאן להמשיך נחוצים לנו כעת רמזים נוספים מן הטבע". יש פיזיקאים שבעקבות הרמזים מן הטבע נטשו כליל את רעיון הווימפים. לדוגמה, ידוע שהחלקיקים החמקמקים הקרויים נויטרינו מופיעים בטבע בשלוש צורות, או בשלושה "טעמים". לשלוש הצורות האלה אמנם אין די מסה כדי להסביר את החומר האפל, אבל מכיוון שבכל זאת יש להן מסה כלשהי הן בגדר פתח לאפשרות שקיימת צורה רביעית בעלת מסה גדולה יותר, המכונה "[נויטרינו עקר](https://en.wikipedia.org/wiki/Sterile_neutrino)". "כמעט כל המנגנונים יוצרי־המסה בחלקיקי נויטרינו מצריכים את קיומם של חלקיקי נויטרינו עקרים, ודי קל להסביר את החומר האפל באמצעות חלק מחלקיקי הנויטרינו העקרים האלה," אומר [קֶווֹרְק אָבְּזָגִ’יאָן](http://www.physics.uci.edu/~kevork/Home.html), פיזיקאי תאורטי באוניברסיטת קליפורניה באירוויין. מועמד קבוע נוסף לככב בהסברים אפשריים של החומר האפל הוא חלקיק היפותטי הקרוי [אקסיון](https://en.wikipedia.org/wiki/Axion). זהו חלקיק שאמור לקיים אינטראקציות חלשות עם חומר רגיל שהשערה בדבר קיומו הועלתה לראשונה ב־1977 כהסבר וכפתרון לאינטראקציות קוואנטיות לא־סימטריות שנראות מסתוריות בלעדיו. כדי להסביר את החומר האפל האקסיונים צריכים להימצא בתחום צר יחסית של מסות ולהיות קלים הרבה יותר מווימפים. "אם לא נמצא וימפים, הפיזיקאים התאורטיים פשוט יעברו להמר על האקסיונים," אומר [פיטר גרהם](https://physics.stanford.edu/people/faculty/peter-graham), פיזיקאי באוניברסיטת סטנפורד. לבד מווימפים, ממגזרים אפלים, מחלקיקי נויטרינו עקרים ומאקסיונים, יש אפשרויות אקזוטיות עוד יותר שבעזרתן אפשר אולי להסביר את החומר האפל. אלה אפשרויות המצויות כיום בשולי המחשבה הפיזיקלית, והן כוללות חורים שחורים בראשיתיים, ממדים נוספים, והאפשרות שבתיאוריית הכבידה של איינשטיין יש טעות כלשהי. פיזיקאים שונים העוסקים בחומר האפל נוטים להעדיף מועמדים שונים, אבל הבעיה הגדולה ביותר המטרידה רבים מהם אינה שהרעיון יתברר בסופו של דבר כלקוי או כטעות גמורה; הראיות התצפיתיות שלפיהן נראה שהחומר האפל אכן קיים הן ראיות מוצקות ביותר. הבעיה שמטרידה אותם היא שזהותו של החומר האפל פשוט תתברר כבלתי רלוונטית לתעלומות גדולות אחרות בפיזיקה, ולכן שפתרון חידת החומר האפל לא יפתח דרכים חדשות לעבר הבנת טבעה האמיתי של הממשות. "אנו רוצים שהחומר האפל לא רק יתברר כדבר שאכן קיים, אלא שהוא יספק תשובות לבעיות בלתי פתורות במודל הסטנדרטי," אומר [ג’סי תָלֶר](http://web.mit.edu/physics/people/faculty/thaler_jesse.html), פיזיקאי במכון לטכנולוגיה של מסצ’וסטס (MIT). "לא כל תגלית חדשה יכולה להיות גילוי חשוב … כזה שבעקבותיו פתאום מתיישבות התיאוריות זו עם זו הרבה יותר טוב. לפעמים חלקיקים חדשים רק גורמים לך לומר, 'מי הזמין את זה?' האם אנחנו חיים ביקום שבו כל תגלית מוליכה לתובנות עמוקות ויסודיות יותר, או ביקום שחלקים מסוימים שלו משתלבים זה בזה בקלות, אבל לא חלקים אחרים? החומר האפל משאיר מקום לשתי האפשרויות."