גלאי נויטרינו בבקבוק

גלאי נויטרינו שוכנים בדרך כלל במעבה האדמה ושוקלים טונות. קבוצת חוקרים הודיעה במאמר ב-SCIENCE כי הצליחה לגלות השפעה של נויטרינו על חומר במתקן שולחני זעיר

הנויטרינו הם אחד החלקיקים הבסיסים מהם מורכב היקום. ואולם בהשוואה לסוגים אחרים של חלקיקים יש להם מסה קטנה מאוד, אין להם מטען חשמלי והם מבצעים אינטראקציה עם חלקיקים אחרים באמצעות הכוחות החלשים ביותר בטבע – הכוח הגרעיני החלש וכוח הכבידה. מכיוון שכך, גילוי עדויות להתנגשויות קלות שלהם עם חלקיקים אחרים הוא מבצע קשה הדורש מכשירים כבדים הממוקמים בעומק האדמה כדי להגן עליהם מפני הפרעות.

ואולם שמונים חוקרים מכל רחבי העולם שהשתמשו במתקן המחקר Spallation Neutron Source (SNS) הנמצא במעבדות הלאומיות אוק רידג’ הצליחו להגיע לגילוי של ניטרינו תוך שימוש בשיטה אחרת לחלוטין. כחלק מניסוי COHERENT Experiment ממצאים אלה מאשרים תחזית שנעשתה לפני 43 שנה ופותחת כיווני מחקר חדשים של חלקיקי הנויטרינו.

במאמר שפורסם בכתב העת סיינס, ועליו חתומים 80 מדענים מ-19 מוסדות בארבע מדינות (ארה”ב, קנדה, ספרד ורוסיה) כי הצליחו לגלות מפגשים של חלקיקי ניוטרינו עם חלקיקים אחרים באמצעות גלאי שגודלו כבקבוק משקה, במשך למעלה משנה.

לדברי ג’ייסון ניוביי, פיזיקאי באוק רידג’ והמתאם הטכני של COHERENT אומר: מתקן הניסוי הפיזי הייחודי במעבדה הלאומית אוק רידג’ היה הראשון למדוד פיזור עקבי (קוהרנטי) בין חלקיקי ניוטירנו בעלי אנרגיה נמוכה לבין גרעיני אטום.

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים גורס כי הניוטרינו הם לפטונים, חלקיקים שמתנגשים חלש מאוד עם חלקיקים אחרים. הם נוצרים כתוצאה מדעיכה רדיואקטיבית – הריאקציה הגרעינית המניעה את הכוכבים, וכן בסופרנובות. מודל המפץ הגדול של הקוסמולגיה חוזה גם כי חלקיקי נויטרינו יהיו החלקיקים השכיחים ביותר ביקום מכיוון שהם תוצר לוואי של יצירת היקום.
ככאלה המחקר שלהם היה במוקד הפיזיקה התיאורטית והקוסמולוגיה. במחקרים קודמים התגלו חלקיקי נויטרינו באמצעות שימוש בטונות של חומרים ולאחר מכן איתור שינויים במיקום החלקיקים שנוצרים כתוצאה מפגיעת נויטרינו בהם.

דוגמאות לכך הם Super-Kamiokande Observatory ביפן – מתקן תת קרקעי המכיל 50 אלף טונות של מים ברמת טיהור גבוהה. מתקן אחר הוא SNOLAB – Sudbury Neutrino Observatory הממוקם במכרה נטוש ליד סודברי, אונטריו, קנדה. גלאי זה מבוסס על מים כבדים. וכמובן, אולי אחד המפורסמים הוא IceCube – גלאי הנייטרינו הגדול ביותר בעולם, הממוקם בתחנת הקוטב הדרומית אמנדנסן-סקוט באנטרקטיקה – מסתמך על הקרח אנטארקטיקה כדי לאתר אינטראקציות נייטרינו. בכל המקרים, מתקני מבודדים מאוד המסתמכים על ציוד יקר מאוד.

ניסוי ה- COHERENT, לעומת זאת, הוא קטן בהרבה וחסכוני יותר בהשוואה, הוא שוקל רק 14.5 ק”ג ותופס הרבה פחות נפח. הניסוי נבנה כדי לנצל את המערכת הקיימת של מאיץ SNS, שמייצרת את המוטות הניוטרוניים שנועדו לשבור אטומי כספית באמצעות הפגזה של פרוטונים. תהליך זה יוצר כמויות אדירות של נויטרונים המשמשים ניסויים מדעיים שונים. עם זאת, התהליך גם יוצר כמות משמעותית של נייטרינים כתוצר לוואי. כדי לנצל זאת החלו חברי צוות CoHERENT לפתח ניסוי נייטרינו המכונה “סמטת נייטרינו”, הממוקם במסדרון מרתף רק 20 מטרים ממכל הכספית כאשר קירות בטון עבים חוצצים ביניהם כדי לספק למערכת מיגון טבעי.

המסדרון מצויד גם במיכלי מים גדולים כדי לחסום נייטרינים נוספים, כדוגמת אלו המגיעים מקרינה קוסמית. אולם בניגוד לניסויים אחרים, גלאי ה- COHERENT מחפשים סימנים של נייטרינים המתנגשים בגרעיני אטומים אחרים. כדי לעשות זאת, הצוות התאים את המסדרון עם הגלאים והוסיפו לו גלאי מבוסס על גבישי צזיום יודיד וכן מכילים גם נתרן שמטרתו להגביר את האותות הקלים שנגרמו על ידי אינטראקציות נייטרינו.

הודות לניסוי שלהם ולתחכום של ה- SNS, החוקרים הצליחו לקבוע כי נייטרינים מסוגלים לצימוד לקווארקים באמצעות החלפת בוזוני Z ניטרליים. תהליך זה, הידוע בכינויו Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), נובא עוד בשנת 1973 על ידי פרופ’ דניאל פרידמן מ-MIT אבל עד עכשיו, שום ניסוי או צוות המחקר לא היה מסוגל לאשר את זה.
פרופ ‘ מרק קרלינר, פרופסור לפיזיקה תיאורטית בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב מסביר בראיון לאתר הידען את חשיבות הממצא:

“בדרך כלל הניטרינו רואה כל פרוטון או ניטרון בתוך הגרעין באופן אינדיבידואלי ולכן הדבר הטבעי ביותר היה לחשוב שהסיכוי של חלקיק נויטרינו לבצע אינטראקציה עם גרעין הוא סכום הסיכויים שלו להתנגש עם עם כל הפרוטונוים והניטרונים בתוך הגרעין. ניקח לדוגמה אטום חמצן שיש בו שמונה נויטרונים ושמונה פרוטונים, הסיכוי של פגיעה בגרעין היא סכום הסיכויים של פגיעה בכל מרכיב שלו בנפרד, כלומר פי 16.”
“אבל האינטראקציה בין חלקיקי הנויטרינו שחוצים את האטום לבין הגרעין של אותו אטום היא תהליך קוונטי ובמכניקת קוונטים חלקיק כמו נויטרינו מתנהג לפעמים כמו חלקיק ולפעמים כמו גל. מה שקובע אם הוא מתנהג יותר דומה לחלקיק או בדומה לאור כמו גל הוא המקבילה הקוונטת של אורך גל. ככל שהאנרגיה של הנויטרינו גדולה יותר, כך הוא מתנהג יותר כמו חלקיק ופחות כמו גל.”

“בניסוי הזה השתמשו בנויטרינים שהאנרגיה שלהם יחסית נמוכה כך שאורך הגל שלהם יחסית גדול ואז אורך גל אחד של הניוטרינים הוא מאותו סדר גודל כמו הגרעין כולו ואז “הנויטרינו” רואה את כל הגרעין כמקשה אחת. ואז בא לידי ביטוי הכלל של מכניקת הקוונטים שהסיכוי לאינטראקציה מתנהג כמו הריבוע של החפיפה בין הגל והחלקיקים. שוב לדוגמה של החמצן, הסיכוי הוא לא פי 16 אלא פי 16 בריבוע כלומר פי 256., כלומר הסיכוי של חלקיק נויטרינו להתנגש בגרעין גדל דרמטית. היות והסיכוי גדל בצורה דרמטית לא צריך גלאי כל כך גדול. אפשר להסתפק בגלאי קטן בגודל של תרמוס. ”

ואולם לתהליך הזה יש מגבלה. אם ניקח נויטרינו בעל אנרגיה קטנה מאוד (ומקבילה לאורך גל גדול מאוד) ההתנגשויות שלו עם הפרוטונים והניוטרונים היו כל כך עדינות עד שלא נוכל לגלות אותם. ישנו איזשהו ערך זהב שמספיק גדול מצד אחד כדי לגרום לגרעינים האלה לזוז ואפשר לגלות בתוך הגלאי ומצד שני ערך האנרגיה מספיק קטן שאורך הגל הוא שהם רואים את הגרעין כולו כמקשה אחת.

מכיוון שהמשקל האטומי של הצזיום והיוד הוא מעל 50 (יוד 53, צזיום 55) אפשר להסתפק בגלאי קטן פי חמישים לעומת גלאי המחפש אינטראקציות המתנהגות באופן לינארי למספר הפרוטונים והניוטרונים.
בסיפור הזה אין שום פיזיקה חדשה שלא היתה ידועה קודם אבל זו הדגמה יפהפיה של כלל קצת נוגד אינוטואיציה של מכניקת הקוונטים. לגילוי זה יכולות להיות השלכות מעשיות – למשל גילוי פעילויות לא חוקיות בתחום הגרעיני או דליפות מכורי כוח גרעיני לפני שהן מתפשטות (ניטרינו הם תופעת לוואי של ריאקציות אטומיות א.ב.)

לדברי פרופ’ קרלינר, לאפקט הזה יש חשיבות גדולה מאוד באסטרופיזיקה. כשכוכב מתפוצץ כסופרנובה יוצא מתוך הגרעין שלו שטף אדיר של נויטרינים מכיוון שישנה האנרגיה המאפשרת זאת, ולכן האינטראקציה של הנויטרינו האלה עם החומר של הכוכב שנמצא במעטפת הרבה יותר גדולה מאשר היה יכול להיות לו היה מדובר בנויטרינו בעלי אורך גל קצר יותר. כל נויטרינו לחוד לא מזיז לגרעין הזה כמעט אבל השטף של הנויטרינים בתוך הסופרנובה כל כך אדיר שהם מפוצצים את מעטפת הכוכב, כמו סיפורי גוליבר שהמון גמדים יכולים להתגבר על ענק .לסיכום אומר פרופ’ קרלינר :זו הדגמה יפה ומרשימה של תופעה הנמצאת בבסיס מכניקת הקוונטים. עד היום אפשר היה לראות נויטרינים רק בגלאי ענק ששוקלים טונות, והפעם הצליחו למדוד באמצעות גלאי נייד.
כאמור פרופ’ פרידמן מ-MIT הציע את הרעיון כבר לפני למעלה מ-40 שנה, אבל כדי לעשות את הניסוי נדרשה הברקה – בחשיבה על דרך לבניית המתקן בצורה כזו שהרגישות שלו תאפשר לגלות אפקט קטנטן.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• נויטרינו עם קרח
• גישוש באפלה אחר החומר האפל
• חוקרים שופכים אור על החלקיק המסתורי – הניטרינו