שיתוף פעולה בינלאומי בהובלת האוניברסיטה העברית ואוניברסיטת ציריך פיתח גלאי מוליך־על ייחודי שהשיג רגישות שיא בחיפוש אחר חומר אפל קל, ופתח אופק חדש לפיזיקת החלקיקים
ניסוי חדש בשם QROCODILE, בהובלת אוניברסיטת ציריך והאוניברסיטה העברית בירושלים, השיג רגישות שיא בחיפוש אחר חומר אפל קל. באמצעות גלאים מוליכי־על מקוררים כמעט לאפס המוחלט, הצליחה הקבוצה להציב גבולות עולמיים חדשים על אופן האינטראקציה של חומר אפל עם חומר רגיל – ובכך פתחה את הדלת לפריצות דרך עתידיות באחד המסתורין הגדולים ביותר של הפיזיקה.
החומר האפל, החומר החמקמק שמרכיב כ־85% ממסת היקום, נותר אחד המסתורין הגדולים ביותר בפיזיקה. בלתי נראה ובלתי ניתן לזיהוי באמצעים רגילים, הוא איננו פולט או בולע אור, ומשאיר למדענים עדויות עקיפות בלבד לקיומו. במשך עשרות שנים ניסו החוקרים לשווא ללכוד ולו רמז קטן לקיומם של חלקיקי החומר האפל.
כעת, שיתוף פעולה בינלאומי של מדענים הציג תוצאות ראשוניות מבטיחות באמצעות ניסוי חדשני בשם QROCODILE (ראשי תיבות של Quantum Resolution-Optimized Cryogenic Observatory for Dark matter Incident at Low Energy). הפרויקט, שמובל במשותף על ידי אוניברסיטת ציריך והאוניברסיטה העברית בירושלים, ובו שותפות גם אוניברסיטת קורנל, המכון הטכנולוגי של קרלסרוהה (KIT) ו־MIT, מצביע על דרך חדשה בחיפוש אחר חלקיקי "חומר אפל קל".
בלב QROCODILE נמצא גלאי מוליך־על חדיש המסוגל למדוד הפקדות אנרגיה זעירות במיוחד – עד לרמה של 0.11 אלקטרון־וולט בלבד, מיליוני פעמים קטנות יותר מהאנרגיות שנמדדות בדרך כלל בניסויי פיזיקת חלקיקים. רגישות זו פותחת חזית מחקרית חדשה לגמרי: בחינת קיומם של חלקיקי חומר אפל קלים במיוחד, שמסתם קטנה פי אלפים מהחלקיקים שנבדקו בניסויים קודמים.
במהלך ריצת מדידה שנמשכה למעלה מ־400 שעות בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט, תיעדה הקבוצה מספר קטן של אותות בלתי מוסברים. אף שאין בינתיים אפשרות לאשר שמדובר בחומר אפל – ייתכן שמקורם בקרניים קוסמיות או בקרינת רקע טבעית – הם כבר מאפשרים להציב גבולות עולמיים חדשים על האופן שבו חלקיקי חומר אפל קלים עשויים לקיים אינטראקציה עם אלקטרונים וגרעיני אטומים.
יתרון נוסף של הניסוי הוא הפוטנציאל לזהות את כיווניות האותות הנכנסים. מכיוון שהארץ נעה בתוך ההילה הגלקטית, צפוי שחלקיקי חומר אפל יגיעו מכיוון מועדף. שדרוגים עתידיים עשויים לאפשר למדענים להבדיל בין אותות אמיתיים של חומר אפל לבין רעשי רקע אקראיים – שלב קריטי בדרך לגילוי חד־משמעי.
פרופ' יונית הוכברג מהמכון לפיזיקה על שם רקח באוניברסיטה העברית, אחת החוקרות המובילות בפרויקט, מסבירה:
״בפעם הראשונה הצלחנו להציב מגבלות חדשות על קיומו של חומר אפל קל במיוחד. זהו צעד ראשון חשוב בדרך לניסויים גדולים יותר שיכולים בסופו של דבר להביא לגילוי הישיר הנכסף״.
השלב הבא בפרויקט, שייקרא NILE QROCODILE, ישדרג עוד יותר את רגישות הגלאי ויעביר את הניסוי אל מתחת לאדמה, כדי להגן עליו מפני קרניים קוסמיות. עם בידוד טוב יותר, מערכים גדולים יותר של גלאים וספי אנרגיה נמוכים אף יותר, מקווים החוקרים לדחוף את גבולות ההבנה שלנו של היקום האפל.
מאמר המחקר שכותרתו “First Sub-MeV Dark Matter Search with the QROCODILE Experiment Using Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors” פורסם כעת ב־Physical Review Letters וזמין בקישור:
https://doi.org/10.1103/4hb6-f6jl
עוד בנושא באתר הידען
