חיפוש חדש אחר חלקיקים משוערים של חומר אפל, המכונים וימפים, שואף להצליח במקום שבו אחרים נכשלו/קלרה מוסקוביץ
הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל
עכשיו או לעולם לא”: זה מצבה של התיאוריה המועדפת על הפיזיקאים להסבר החומר האפל, החומר הבלתי נראה שממלא על פי ההשערה, את היקום. פיזיקאים רבים סבורים שהחלקיקים המרכיבים את החומר האפל הם “חלקיקים בעלי מסה המנהלים אינטראקציות באמצעות הכוח הגרעיני החלש”, המכונים בקיצור “וימפים” (WIMPs, מילולית: “חלשלושים”, ראשי תיבות באנגלית של שמם, Weakly Interacting Massive Particles). הניסוי הגדול ביותר והרגיש ביותר עד היום למציאת וימפים, XENON1T, יצא לדרך במארס 2016 במעבדה הלאומית של איטליה בגראן סאסו.
הפרויקט הזה מפעיל את הגלאי העדכני ביותר בסדרה של גלאים שהתחילו לפעול כבר בשנות ה-80, אבל עד כה אף אחד מהם לא הצליח למצוא חומר אפל. אם החלקיקים החמקמקים לא יימצאו בשנים הקרובות בניסוי XENON1T, ייתכן שהפיזיקאים יאלצו לנטוש את התיאוריה המובילה ולחפש אחר הסברים יותר אקזוטיים. “אישוש המודלים הטובים שלנו מצוי בהישג ידו של XENON1T,” אומר רפאל לאנג, פיזיקאי באוניברסיטת פֶּרדוּ שעובד בניסוי הזה. “אם לא נשיג אותו, משמעות הדבר היא שהרעיונות שלנו שגויים לגמרי, ושבאמת ניאלץ לחזור ללוח הסרטוט.”
השערת קיומם של וימפים נובעת מתחזית של תיאוריית מיתרי העל. ההרחבה הזו של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מעלה את האפשרות שלכל אחד מן החלקיקים היסודיים של החומר הידועים לנו יש בן זוג, חלקיק תואם. וימפים הם כנראה בני הזוג בעלי המסה הנמוכה ביותר, והפיזיקאים תומכים דווקא בהם כמועמדים לחלקיקי חומר אפל מכיוון שהתיאוריה חוזה מאליה שהם מצויים בדיוק בכמות המתאימה לכמות החומר האפל שהמומחים יודעים על קיומו על סמך המשיכה הכבידתית שלו. (החומר האפל מייצג, על פי הערכות, כ-84% מסך כל החומר ביקום.) גרסאות רבות של וימפים כבר נפסלו לאחר שחיפושים קודמים אחריהם העלו חרס. אבל החוקרים עדיין מקווים שאחת האפשרויות הנותרות תופיע בניסוי.
המתקן של XENON1T קבור במערה בעומק של 1,400 מטרים במעבה האדמה: מכל גלילי גדול, המכיל 3,500 קילוגרמים של קְסֶנון נוזלי. החומר הזה פולט באופן טבעי אור כשמזיזים את האטומים שלו. המדענים מקווים להצליח ללכוד את האירוע הנדיר שבו חלקיק חומר אפל יתנגש בגרעין קסנון, התנגשות שאמורה להותיר אות אנרגיה ייחודי. אף על פי שהסברה היא שהחומר האפל מצוי בכל מקום, כ-100,000 חלקיקים אפלים אמורים לחלוף דרך כל סנטימטר רבוע במרחב בכל שנייה, הוא כמעט לעולם אינו מנהל אינטראקציות עם חומר רגיל ובדרך כלל חושף את עצמו רק דרך כוח הכבידה (בשל המסה המצטברת שלו). לאחר החיפוש המתוכנן של XENON1T, שיארך שנתיים, יהיה די בזיהוי של 10 חלקיקים בלבד שנראים תואמים לתכונות החזויות של חומר אפל כדי שעורכי הניסוי יוכלו להכריז על גילוי.
הפרויקט, שעלותו 15 מיליון דולר, ממומן על ידי שיתוף פעולה של 10 מדינות שונות, וקדמה לו הרצה אחרת של הניסוי, קטנה פי 25. נפח האיסוף הגדול יותר של המכל החדש, מלבד מיגון משופר שאמור לבלום חלקיקים אחרים שעלולים להיחשב בטעות כחומר אפל, אמור לאפשר לו לחצות את סף הרגישות של הניסוי הקודם תוך יומיים מרגע הפעלתו. הוא אמור גם לעקוף בתוך שבועות ספורים את ניסוי החומר האפל המוביל כיום, ניסוי הקסנון התת-קרקעי הגדול (LUX), שמכיל 370 קילוגרם קסנון ומתבצע בדרום דקוטה. “אני לא אתפלא כלל אם XENON1T יצליח לגלות משהו שחמק רק במעט מן הדור הקודם של הניסויים,” אומר טים טייט, תיאורטיקן באוניברסיטת קליפורניה באירווין, שאינו משתתף בניסויים האלה.
ובינתיים, וימפים עשויים להופיע בכל יום במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) שעל יד ז’נווה, שבו פרוטונים מתנגשים זה בזה במהירות קרובה למהירות האור ויוצרים אגב כך חלקיקים חדשים. המאיץ התחיל את ההרצה השנייה שלו ב-2015, באנרגיה גבוהה כמעט פי שניים מן האנרגיה שבה הופעל ב-2009, וכעת אמורה להיות לו עוצמה שתוכל לאפשר ליצור פחות או יותר את אותו טווח וימפים ש-XENON1T אמור להיות מסוגל לגלות.
ואם בשנים הקרובות שום ניסוי מן הניסויים האלה לא יראה רמז לחלקיקים, ייתכן שיגיע הזמן שהתיאורטיקנים יעברו לחפש הסבר אחר לחומר האפל. “מצד אחד, אנחנו יודעים שהוא קיים, אבל מצד אחר אנחנו יודעים עליו מעט מאוד, ולכן קל מאד להעלות כל מני תיאוריות,” אומר טייט. “ואם לא נראה אותו, יתברר לנו שהחומר האפל הוא עוד יותר מוזר ומופלא ממה שניחשנו בעבר.”
22 תגובות
שלום לכולם
אני רוצה להבין מה פרוש: ” קריאה אחרונה לחומר האפל”?? מה זה, מתחננים אליו??
אולי ננסה שיטות חדשות??, מה דעתכם על : “נאסא מבקש מהחומר האפל להראות את עצמו”?
אולי נראה קצת עצבים?: “דיר בלאק החומר האפל תראה את עצמך!, זה כבר לא מצחיק, 80 שנה אתה משחק איתנו מחבואים, מספיק, או שאתה מראה את עצמך או ש… נפסיק לדבר בטובות!!”.
אולי ננסה את השיטה החיובית?, ” חומר אפל יקר, נתנו לך גרמניום, בנינו לך את המאיץ הגדול בצרן, ועכשיו, מאכילים אותך קסנון, זרקנו אותך למעמקי המיכרות, ואתה עדיין בשלך לא רוצה להראות?, למה??? למממממממההההה!!!???”
אולי נישלח אליך את הבטוחים בקיומך?, אלבנזו למשל???, מה אתה אומר?, לא יעזור???”
תגיד, אתה, נהנה להישלח ליקום מקביל? , אתה יודע מה אתה מעולל לאנרגיה האפילה??, אתה פשוט הורס אותה עם חצי הפיזיקה של המאה העשרים!!
רגע, אני לא מבין, אתה לא מפחד שכולנו נצטרף לדעתו של סבדרמיש שאתה לא קיים??
אז שבוע טוב לכולם ושמח לחזור לשדה הקרב האפל.
שבוע טוב!
יהודה
חיים
כל אחד יודע שאם היתה ליקומים אחרים יכולת השפעה על היקום שלנו אז זו ההוכחה הכי ניצחת שהם נמצאים באותו יקום.
מי יכול להסביר לי (ללא ספקולציות וסברות כרס) מדוע החומר האפל מפוזר במרחב, למרות שעבורו הכוח הגרוויטציוני שמושך ל”קריסה גדולה” אינו מנוגד לכוחות לכוחות אלקטרומגנטיים שיוצרים לחץ מפזר? גם בקנה מידה מקומי, ללא דחיה בין מטענים חשמליים דומים כל ענן חומר אפל היה אמור לקרוס לחור שחור? האם זו תוצאה של האנרגיה האפלה בלבד, או שההסבר נמצא בעקרון פאולי? ואם כן מדוע הפיזור של החומר האפל שונה מזה של החומר המאיר?
תנסה את המאמר בגרסת החינם שלו:
https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0606216v1.pdf
“Can MOND take a bullet? Analytical comparisons of threeG.W. Angus; B. Famaey & H. Zhao (September 2006). “Can MOND take a bullet? Analytical comparisons of three versions of MOND beyond spherical symmetry”. Mon.Not.Roy.Astron.Soc. “. אם הפלתי עלינו סלע, גש לפרק המסקנות בסוף המאמר בלבד. אינני בקיא ברמה המאפשרת שיפוט בנושא זה. בעיקרון, מעיון ברשת, כנראה אלבנצו צודק ו MOND או עדכון הכוח הניוטוני לבדו (!) לא מסביר את bullet cluster. נראה לי בכ”ז שנדרשת בחינת תיאוריות חלופיות לחומר אפל, ואינני חושב שזה יפיל את תורת המיתרים.
יוסי,
איך הם מתמודדים עם תצפיות כמו ״Bullet cluster״ שאלבנצ׳ו הזכיר קודם ?
להערכתי MOND עשויה לזכות למבט מחודש. באתר הבית של פרופסור מוטי מילגרום, יש עבודות מחקר בנושא, ויש לו מאמרים בעיתונים פופולריים דוגמת scientific american ועיתונים נוספים שנותנים תהודה.
תודה
elbentzo
בגלל זה שאלתי ועוד בשיא הזהירות. נלך לכיוון של תרגיל מחשבתי. אם אכן קיים חומר אפל ביקום מקבילי אחד או יותר ובאם הוא משפי אולי כדאי לפחות לנסות לבנות מודלים. יתכן גם שכללי הפיסיקה שם שונים מאשר אצלנו. בונים כל כך הרבה מודלים אולי כדאי קצת להתפרע. המחקר יצא מכך נסקר. שווה את המאמץ. לפעמים בדרך זו אפשר להגיע לתובנות חדשות. מה דעתך לעשות תזה נוספת, אם יש לך זמן פנוי.
חיים,
לא בטוח שהבנתי. אם החומר האפל לא נמצא כאן אלא ביקום מקביל, אז למה שנרגיש את השפעתו כאן? חומר אפל אמנם לא אותר אף פעם בצורה מיקרוסקופית, אבל כמו שהזכרתי בתגובה ליריב יש תצפיות של מערכות בהן יש הבדל בין מרכז המסה לבין החומר הנראה – כלומר, יש משהו שלא רואים אבל הוא משנה את מרכז המסה של המערכת. אם החומר האפל יושב ביקום אחר, כיצד הוא עושה זאת? לא בטוח שהבנתי, אבל ממה שהבנתי, לא נראה לי סביר.
יריב,
MOND היא אכן אלטרנטיבה ליחסות כללית והיא אכן לא מכילה חומר אפל. אבל התמיכה שלה בקרב פיזיקאים היא די זניחה (וחלק גדול ממנה מרוכז בישראל, ולכן יכולה להיווצר תמונת שווא כאילו היא יותר פופולרית מאשר שהיא באמת). יש לכך כמובן הרבה סיבות, אבל החשובה ביותר מהן היא שהיא פשוט נכשלת בניסוי. אמנם יש נתונים תצפיתיים שהיא מסוגלת להסביר בלי חומר אפל, אבל יש גם כאלה שהיא פשוט לא. הדוגמא המפורסמת ביותר היא ה-bullet cluster, אשר נחקרה לעומק וצולמה בכל ספקטרום אפשרי פחות או יותר, ואפשר לראות בה בצורה הברורה והחדה ביותר שמרכז המסה שלה מרוחק מאוד ממרכז המסה הנראה, גם על פי המודל של MOND. כלומר, גם אם MOND הייתה נכונה, המסקנה שהיא מסיקה לגבי הקלאסטר הזה הוא שיש בו חומר “בלתי נראה” – חומר אפל. כמובן שזו לא הדוגמא היחידה, אבל זו נחשבת הדוגמא שהרגה סופית את MOND בעיניהם של פיזיקאים רבים מהתחום. מעבר לכך, יש כמובן בעיות תיאורטיות בעיקר בתחום הקוסמולוגיה.
יריב, ככל הידוע לי מעט מאוד פיזיקאים היו מסכימים אתך בנוגע ל-MOND, בפרט בנוגע לאלגנטיות. מכל מקום, ככל שאני יכול לשפוט פשטות לא מהווה קריטריון משמעותי בפיזיקה בת-זמננו. עד כה כל מי שניסה להיות פשוט חטא בפשטנות…
elbentzo
יש לי אליך שאלה לגבי המסה האפלה. ואני שואל בצורה הזהירה ביותר מאחר וידיעותי בתחום מצומצמות ביותר. אולי מחפשים את המסה האפלה במקום הלא נכון? אם אכן ישנם יקומים מקבילים, הרי שגם בהם צריכה להיות מסה. אולי המסה חסרה נמצאת במקומות אלה?
תודה.
דרך אגב ניתקלתי בתיאוריה מעניינת בשם ״דינמיקה ניוטונית מתוקנת״ שמציעה לשנות את הנוסחאות הפיסיקליות המקובלות על מנת לקבל התאמה לתצפיות בלי צורך בחומר אפל:
״כיום, דינ”ם מצליחה לנבא את המהירויות שנמדדו בתצפיות בצורה מדויקת יותר מתאוריית החומר האפל. למרות זאת, כיום רק מיעוט קטן בקרב המדענים תומך בדינ״ם כרגע, אך אם מצב זה ישתנה אין ספק כי הדבר יחולל מהפכה מדעית של ממש, ואולי אף יערער את המוסכמות לחוקים נוספים בעולם הפיזיקה בימינו… מאז שהחלו למדוד את גודל המהירות ואת עקמומיות הסיבוב של הגלקסיות על מנת להשוות בין התאוריות השונות, תאוריית דינ”ם היא זו שמסבירה את התצפיות באופן האלגנטי והפשוט ביותר. בהשוואה לתאוריות האחרות, לדינ”ם יש פרמטר אחד שיש להשלים לכל גלקסיה בנפרד, והוא מקדם ההמרה של אור הכוכבים למסה. לעומת זאת, תאוריית החומר האפל זקוקה לשני פרמטרים על מנת להוכיח נתון זה- הכמות של החומר האפל ומסתו״
https://he.wikipedia.org/wiki/דינמיקה_ניוטונית_מתוקנת
קצת סדר: לתורת המיתרים אין פה באמת קשר. ה-WIMP הוא תוצאה של סופרסימטריה, שיכולה להתקיים גם ללא קשר לתורת המיתרים. כלומר, יתכן שסופרסימטריה נכונה ומיתרים לא, יתכן ששתיהן נכונות (מה שמכונה בכתבה “מיתרי-על”). לא סביר שתורת המיתרים נכונה וסופרסימטריה לא (למעשה, בד”כ כשאומרים “תורת המיתרים” מתכוונים ל-superstring כי למיתרים בלי סופרסימטריה אין טעם – היא לא מסוגלת לתאר הרבה דברים בעולם שלנו).
אי-מציאת WIMP לא תפריך סופרסימטריה מפני שהיא לא חוזה בדיוק את התחום בו ניתן יהיה למצוא אותם. ניתן “לשחק” עם הפרמטרים של התיאוריה ולייצר תיאוריה זהה רק שבה ה-WIMPS הם מסיבים יותר וקשים יותר לגילוי. הפרכה צריכה לבוא רק מניסוי שמראה באופן פוזיטיבי שפרדיקציה כלשהי לא מתקיימת, ולא מכך שלא מצליחים למצוא חלקיק כזה או אחר. אבל גם למרות שזה לא יפריך אותה, לתיאוריות בפיזיקה יש חיי מדף ואם משהו לא מניב תוצאות במשך מספיק זמן, אנשים מתחילים לחפש הסבר אחר. אני לא בטוח מתי בדיוק זה יקרה לסופרסימטריה, מפני שהיא הכרחית לתורת המיתרים (כמו שאמרנו, בלעדיה תורת המיתרים לא באמת עובדת) ותורת המיתרים – למרות שאין לה שום עדות תצפיתית – היא חזקה מאוד מאוד מבחינה תיאורטית והיא התחום שבו רוב הפיזיקאים כיום תולים את תקוותיהם לעתיד. יש לה הישגים מדהימים (תיאורטיים בלבד, לצערנו) שאף תורה אחרת לא מתקרבת אליהם וללא סופרסימטריה היא פחות או יותר הולכת לפח. לכן בעקיפין, החוזק שלה כתורה שפותרת המון המון בעיות תיאורטיות עובר גם לסופרסימטריה.
יריב,
כן, לאלקטרון מסה קטנה פי 2000 מאשר לפרוטון. מבחינת מסת מנוחה, 99.98% מהחומר בחדר הוא פרוטונים.
elbentzo,
צודק, ככה זה שצריכים לקרוא מהר מהר בזמן העבודה.
לגבי הדוגמא, באופן מעשי מסת האלקטרון הרבה יותר קטנה ממסת הפרוטון עד כמה שזכור לי, זה לא באמת חצי מהמסה נכון ?
“השערת קיומם של וימפים נובעת מתחזית של תיאוריית מיתרי העל”
אם החלקיקים לא יתגלו בניסוי האם הדבר יפריך את תיאוריית מיתרי העל? ומה לגבי תיאוריית המיתרים?
צודק
ל- NET
על פי תגובתך שלהלן, הרשה לי לנחש כי:
מקצועך\השכלתך הנם בתחום ההנדסה. מהנדס או הנדסאי.
האם הנני צודק או טועה ?
אנרגיה אינה חומר. החומר האפל הוא כ-84% מכלל החומר בעולם, אבל הוא רק כרבע מתכולת האנרגיה שלו. דוגמא טפשית – אם יש לי חדר ובו אלקטרון, פרוטון ופוטון אשר לכולם אותה אנרגיה, אז האלקטרון מהווה חצי מהחומר בחדר אבל רק שליש מהאנרגיה.
מסכים עם יריב. מישהו בבקשה יכול להגיד את האחוזים הרשמיים של החומר והאנרגיה האפלה ביקום?
״החומר האפל מייצג, על פי הערכות, כ-84% מסך כל החומר ביקום״
מוזר, חשבתי שהמספר קרוב יותר ל 25% (ואנרגיה האפלה בסביבות 70%).