קריאה אחרונה לחומר האפל

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."