חלקיקים מהחלל בעומק הקרח

חלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיה גבוהה זוהו בגלאי ענקי באנטארקטיקה

לפני יותר ממאה שנה חקרו המדענים הגרמנים ליזה מייטנר (Meitner) ואוטו האן (Hann) את תהליכי ההתפרקות הרדיואקטיבית של גרעין האטום, וגילו כי משהו חסר. האנרגיה שהשתחררה בתהליך לא תאמה את העוצמה הצפויה, והם לא הצליחו להסביר את המחסור. עשרים שנה אחר-כך, ב-1931, פתר המדען האוסטרי וולפגנג פאולי (Pauli) את החידה – לפחות תיאורטית. הוא חזה כי בהתפרקות משתחרר עוד חלקיק זעיר, חסר מטען חשמלי. פאולי רצה לקרוא לחלקיק המוזר “נייטרון”, משום שאין לו מטען, אך את השם הזה תפס חלקיק גדול הרבה יותר שנתגלה כמה שנים קודם לכן. הפיסיקאי האיטלקי אנריקו פרמי (Fermi) העניק לחלקיק החדש את השם “נייטרינו” (neutrino) – כלומר “נייטרון קטן” באיטלקית. נדרשו יותר מ-20 שנות מחקר בטרם הצליחו שני מדענים אמריקנים, קלייד קוואן ופרדריק ריינס (Cowan & Reines), לאמת את התחזית של פאולי, ולהוכיח כי אכן נוצר חלקיק נייטרינו בהתפרקות גרעינית.

חלקיק חמקמק

נייטרינו הוא חלקיק מוזר ביותר, משום שאינו מגיב כמעט עם שום חומר. הוא נע כמעט במהירות האור (אך לא מהר יותר, כפי שפורסם בטעות לפני שנתיים) ואינו מגיב כמעט עם שום חומר – הוא חולף בקלות דרך הרים, אוקיינוסים וגלקסיות שלמות. מרגע שהתחלת לקרוא את הכתבה הזו, חלפו דרך גופך טריליונים רבים של חלקיקי נייטרינו בלי שהרגשת כלל. היה מי שחישב שכדי לעצור נייטרינו, דרוש קיר עופרת עבה הרבה יותר מכל מערכת השמש…

אם הנייטרינו כה חמקמק, כיצד אפשר לגלות אותו? תגובה שלו עם חומר היא אירוע נדיר מאוד, אבל מכיוון שיש כל כך הרבה נייטרינו סביבנו, הכמות מספקת כדי לזהות אחדים מהם בגלאי מתאים. כשהנייטרינו בכל זאת מגיב עם משהו, נוצר אור זעיר. זעיר מאוד. הרבה פחות מהחלק המיליארד מעוצמתה של נורה רגילה. גלאים המסוגלים לקלוט את עוצמת האור הזו משמשים לזיהוי הנייטרינו.

סודות מעומק החלל

רוב הנייטרינו שסביבנו, נוצרים בסביבה הקרובה: אטומים מתפרקים כל הזמן בתהליך טבעי, וחלקיקים רבים מגיעים גם מהתפרקויות באטמוספרה ובשמש. ואולם, יש גם נייטרינו המגיעים ממרחקים גדולים הרבה יותר, לאחר שהשתחררו בהתפוצצויות קוסמיות בעומק החלל, כמו פיצוץ של כוכבים המכונה “סופר-נובה”, או אירועים המכונים “התפרצויות קרני גמא”, שטבעם אינו ברור עדיין. מכיוון שנייטרינו בעוצמה גבוהה נדירים הרבה יותר, כדי לזהות אותם דרוש מכשור מסדר גודל אחר. הוא צריך להיות גדול מאוד (כדי להגדיל את הסיכוי לגלות חלקיקים נדירים יחסית), וצריך להיות שקוף, כדי שהגלאים הפזורים בו יוכלו לקלוט את האור הקלוש של התפרקות הנייטרינו. המדיום המתאים ביותר הוא קרח (או מים), ולפיכך נבנה הגלאי הענקי בעומק הקרח של אנטארקטיקה, סמוך מאוד לקוטב הדרומי.

עוד בנושא באתר הידען:

• אורחים מקצה היקום
• מדע על הקרח
• הושלמה בניית טלסקופ הניוטרינו באנטארקטיקה IceCube

הגלאי, המכונה IceCube, מורכב למעשה מ-86 מיתרים, שעל כל אחד מהם מורכבים 60 חיישני אור משוכללים, כל אחד בכדור גדול מעט מכדורסל. כל שרשרת כזו הורדה לתוך פיר שעומקו כ-2.5 ק”מ, ליצירת קוביה של קילומטר מעוקב, המורכבת מ-5,160 גלאים, וחלקה העליון שוכן קילומטר וחצי מתחת לקרקע (ראו תרשים). הגלאי הושלם לפני כשנתיים, בעלות של כ-240 מיליון דולר, בשיתוף פעולה בכמה מוסדות ברחבי העולם, בהובלת הקרן האמריקנית הלאומית למדע (NSF). כעת מדווחים חוקרים בכתב העת Science שבמשך שנתיים של תצפיות זוהו ב-IceCube לפחות 28 חלקיקי נייטרינו בעוצמה גבוהה במיוחד, בעלי אנרגיה של יותר מ-30 טרה-אלקטרון וולט (Tev). שניים מהם היו בעלי אנרגיה של יותר מ-1000 TeV – ולחוקרים אין ספק כי החלקיקים האלה לא נוצרו בסביבתנו הקרובה. באנרגיה עצומה כזו הם יכלו להיטען רק באירועים קוסמיים מרוחקים וחזקים במיוחד, בעלי אנרגיה של יותר מ-30 טרה-אלקטרון וולט (Tev). שניים מהם היו בעלי אנרגיה של יותר מ-1000 TeV – ולחוקרים אין ספק כי החלקיקים האלה לא נוצרו בסביבתנו הקרובה. באנרגיה עצומה כזו הם יכלו להיטען רק באירועים קוסמיים מרוחקים וחזקים במיוחד. “זה עידן חדש לאסטרונומיה. אנחנו כבר מסתכלים על היקום לא רק באמצעות קרני אור (למשל אור נראה, גלי רדיו או צורות אחרות של קרינה אלקטו-מגנטית), אלא גם באמצעות חלקיקי נייטרינו”, אומרת ד”ר הגר לנדסמן-פלס ממכון וייצמן למדע, שהשתתפה בפיתוחו ובהקמתו של גלאי IceCube. “הנייטרינו יספק לנו מידע נוסף על הקרינה הקוסמית; על פיצוצים מאוד אנרגטיים המתרחשים בחלל כמו מפרצי קרינת גמא; ועל תופעות אנרגטיות נוספות המתרחשות מחוץ לגלקסיה שלנו”.

מצפים להפתעות
לפי שעה החוקרים עדיין לא הצליחו להתאים בין העוצמה והכיוון של החלקיקים שהתגלו, לאירוע קוסמולוגי המוכר לנו. במילים אחרות, הם עדיין אינם יודעים מה בדיוק מקורם של הנייטרינו שזוהו בגלאי. התאמות כאלה – הם מקווים – יהיו אפשריות בהמשך. אם זה לא יקרה ב- IceCube, יכול מאוד להיות שזה יקרה בגלאי מהדור הבא, שלנדסמן-פלס ועמיתיה שוקדים כעת על תכנונו. בשונה מ- IceCube, הגלאי החדש המכונה Askaryan Radio Array (ARA), לא יתבסס על גלאי אור, אלא על חיישנים של גלי רדיו, הנוצרים גם הם בתגובה של נייטרינו עם חומר. גלי הרדיו מתקדמים טוב יותר בתוך הקרח, ולכן יהיה צורך בפחות חיישנים ליחידת שטח ויהיה אפשר לפרוש את הגלאי על שטח גדול יותר, ועמוק פחות. הגלאי החדש אמור להיות הרבה פחות מורכב מבחינה הנדסית, משום שאינו מצריך קידוח לעומק 2.5 ק”מ אלא רק כמה עשרות מטרים, וגם הרבה פחות יקר מקודמו. החוקרים מקווים שגם הוא יניב תצפיות מרתקות, ויעמיק את יכולתנו להבין תופעות שאיננו יכולים לראות, הרחק בעומק החלל. בנוסף, אומרת לנדסמן-פלס, בכל פעם שמדענים בונים מכשיר מורכב כזה בעל יכולות חדשות, אנו מגלים גם דברים שלא ציפינו למצוא, לפעמים בעלי יישומים מפתיעים. יכול מאוד להיות שדווקא בקרח של העומק הדרומי נגלה הפתעות מהחלל.