חידת הניטרינו

הניסוי הגדול ביותר מעולם שנועד לחקור את החלקיקים המסתוריים הללו, עשוי לסלול את הדרך לעבר פיזיקה חדשה

בניית אב טיפוס של הגלאי של פרויקט DUNE. מקור: Fermi National Accelerator Laboratory.
בניית אב טיפוס של הגלאי של פרויקט DUNE. מקור: Fermi National Accelerator Laboratory.

מאת קלרה מוסקוביץ, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 12.11.2017

  • ייתכן שחלקיקי ניטרינו הם חלקיקי היסוד הכי פחות מובנים מבין החלקיקים הידועים לנו. חלקיקי הניטרינו חסרי המטען והקלושים האלה כמעט אינם מגיבים עם חלקיקים אחרים, ובעבר התחזית המדעית הייתה שהם חסרי מסה. כעת פיזיקאים יודעים שכן יש להם כמות קטנה של מסה, אך הסיבה לכך היא בגדר תעלומה.
  • פרויקט שאפתני שבנייתו בעיצומה, ניסוי הניטרינו במעמקי האדמה (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), ישלח אלומת ניטרינים למרחק 1,300 קילומטרים, מאילינוי לדקוטה הדרומית.
  • במהלך מסעם, חלקיקי הניטרינו צפויים לעבור שינוי צורה, מסוג – או טעם – אחד למשנהו, תופעה הידועה בשם תנודת ניטרינו. באמצעות מחקר של ההתנהגות המוזרה הזאת, הפיזיקאים מקווים לזרות אור על מקור המסה של חלקיקי הניטרינו ועל חידות אחרות.

אני עומדת על מסלול מוגבה בתוך מערה ענקית, מלאה עד להתפקע בציוד תעשייתי, ונאמר לי שביליוני חלקיקי ניטרינו טסים דרך כל סנטימטר רבוע בגופי בכל שנייה. אני מניפה את זרועותי, כאילו כדי להעצים את התחושה, אבל כמובן שאינני יכולה להרגיש דבר. חלקיקי הרפאים האלה, שהם כמעט חסרי מסה ונעים במהירות קרובה למהירות האור, חוצים את החלל הריק שבין האטומים שלי בלי להותיר עקבות. כמו כן הם נעים כמעט ללא עכבות דרך תיבת המתכת העצומה שממלאת את מרבית החלל של המערה. ואולם, כמה פעמים ביום, ניטרינו אחד יתנגש עם אטום בתוך המכשיר הזה שגודלו כגודל אוטובוס, וישחרר חלקיקים טעונים שיותירו אחריהם עקבות אור שמדענים מסוגלים לראות. והעקבות האלה, מקווים הפיזיקאים, יוליכו אותם לתוככי ארץ לא נודעת.

המתקן הזה הוא חלק מניסוי הופעת חלקיקי ניטרינו של אלקטרון לצד הציר של אלומת חלקיקי הניטרינו במזרק הראשי של פרמילב, מעבדת המאיץ הלאומי על שם פרמי בבטאוויה, שבאילינוי (ניסוי NOvANuMI Off-Axis Electron-Neutrino  Appearance). גלאי דומה אך גדול יותר טמון במרחק 800 קילומטרים משם, במינסוטה, שם הוא לוכד חלקיקי ניטרינו שחלפו דרך הגלאי הזה ודרך כל האדמה המפרידה ביניהם. הפרויקט NOυA, שפועל מאז 2014, הוא ניסוי הניטרינו שהמרחק שעליו הוא משתרע הוא הגדול ביותר בעולם, אבל הוא מניח את היסודות למשהו הרבה יותר גדול – "ניסוי הניטרינו במעמקי האדמה" (DUNE-Deep Underground Neutrino Experiment). ניסוי זה יתחיל בפרמילב, שם מאיץ חלקיקים יאיץ פרוטונים ויטיח אותם לתוך גרפיט בשביל ליצור קרן של חלקיקי ניטרינו. לאחר מכן, חלקיקים אלו יטוסו דרך 1,300 קילומטר של אדמה, מאילינוי לדקוטה הדרומית. 500 הקילומטרים הנוספים שיהיה עליהם לעבור יגדילו את הסבירות שחלקיקי הניטרינו יפגינו חלק מן ההתנהגות המוזרה הייחודית להם.

DUNE הוא הניסוי השאפתני ביותר בפיזיקת חלקיקים שמתוכנן להתבצע על אדמת ארה"ב מאז העל-מאיץ העל-מוליך (SSC), פרויקט משנות ה-90 של המאה ה-20 שלא הגיע לידי מימוש בסופו של דבר. על פי התכנון, פרויקט DUNE, שעלותו 1.5 מיליארד דולר, יחל לפעול בעשור הבא והוא אמור לפעול במשך 20 שנה לפחות. אבל לא רק האמריקנים נרגשים בגללו – בפרויקט משתתפים 1,000 חוקרים מ-30 מדינות, ועוד היד נטויה. ניסוי זה עתיד להיות ניסוי הניטרינו הגדול ביותר בעולם. הוא גם יציין את הפעם הראשונה ש-CERN, המעבדה המרכזית באירופה לפיזיקת חלקיקים, תשקיע בפרויקט מחוץ ליבשת. ממש כשם שמאיץ ההדרונים הגדול (LHC) גילה את בוזון היגס המהולל ב-2012, וחשף את קיומו של שדה בלתי-נראה הממלא את הקוסמוס, כך מקווים המדענים ש-DUNE יוכל להשתמש בחלקיקי ניטרינו כדי להבין את היקום ברמה עמוקה יותר. "אנחנו רוצים לעשות בעבור חלקיקי הניטרינו מה ש-LHC עשה בעבור היגס," אומר אחד הדוברים של DUNE, מארק תומסון, אנגלי נמרץ מאוניברסיטת קיימברידג', שעוזר לקדם את הפרויקט. "אנחנו מאמינים שאנו על סיפה של המהפכה הגדולה הבאה בפיזיקת חלקיקים."

חלקיקי ניטרינו מעוררים תקוות יומרניות כאלה מכיוון שהם החלקיקים הראשונים שהצליחו לחמוק ממה שמכונה "המודל הסטנדרטי," התיאור הטוב ביותר שיש לפיזיקאים לחלקיקי היסוד של הטבע והחוקים השולטים בהם. המודל הסטנדרטי, המסביר את התנהגותו של כל חלקיק ידוע אחר ברמת דיוק מדהימה, חוזה שלחלקיקי הניטרינו לא תהיה מסה. וזה אכן מה שמדענים סברו עד לפני כ-15 שנה, כשניסויים שנערכו בקנדה וביפן גילו שדווקא יש לחלקיקי הניטרינו מנה זעומה ביותר של מסה. ואולם, נראה שחלקיקי הניטרינו אינם מקבלים את המסה שלהם באופן שבו חלקיקים אחרים מקבלים אותה. במקום זאת, נראה לכאורה שהמשקל שלהם מגיע דרך מה שקרוי פיזיקה חדשה – חלקיק כלשהו, כוח כלשהו או תופעה כלשהי שהמדענים טרם גילו.

במהלך השנים האחרונות חלקיקי הניטרינו נראים יותר ויותר כמו גשר מבטיח אל עבר עתיד הפיזיקה, מכיוון שניסיונות אחרים להבקיע את החזית הזאת העלו חרס. עד כה, ה-LHC לא הצליח להפיק שום חלקיק שלא נחזה על ידי המודל הסטנדרטי. ניסויים שתוכננו כדי לחשוף את החלקיקים המרכיבים את החומר האפל, אותו חומר בלתי נראה שהוא המרכיב העיקרי של הקוסמוס, נותרו גם הם בידיים ריקות. "אנחנו יודעים שהמודל הסטנדרטי אינו שלם – יש עוד דברים שקורים, אבל אנחנו לא יודעים מה הם," אומר פיזיקאי הניטרינו מפרמילב, סטיבן פארק. "יש אנשים שבחרו להפקיד את גורל הקריירה שלהם בידו של ה-LHC. ואחרים מהמרים על חלקיקי הניטרינו."

תעלומה כבדת משקל

ביום שלמחרת הביקור שלי במערה של NOυA, מצאתי את עצמי יושבת במשרד ריק בקומה השלישית של אולם ראת'ברן וילסון, הבניין המרכזי של פרמילב. פארק, שעובד כאן לצד התיאורטיקן אנדרה דה-גוביאה מאוניברסיטת נורת'ווסטרן, אומר שהוא בחר בחדר הזה לצורך הפגישה שלנו מכיוון שהוא היה פעם המשרד של לאון לדרמן, המנהל הקודם של פרמילב, שפרש לגמלאות ושפיתח דרך ליצור אלומה של חלקיקי ניטרינו בעזרת מאיץ חלקיקים. העבודה הזאת, שהניחה את היסודות לפרויקט DUNE, חשפה את קיומו של אחד משלושת סוגי הניטרינו הידועים ב-1962 ולימים זיכתה את לדרמן בפרס נובל. פארק ודה-גוביאה מודים שעל אף שהתחום התקדם לאין שיעור מאז ימיו של לדרמן, המדענים עדיין מבולבלים. "הקטע עם הניטרינו הוא שככל שמבינים יותר, כן יש יותר שאלות," אומר פארק. "הם חלקיקים נכלוליים מאוד."

פארק, יליד ניו זילנד, נתפס למחקר הניטרינו קצת לאחר שהגיע לארה"ב ללימודים לתואר מתקדם בשנות ה-70. בעשורים שלאחר מכן, חלקיקי הניטרינו איבדו את השם שיצא להם כחלקיקים משעממים וחסרי מסה. "היו שם מהפכות, זו אחר זו," הוא אומר. "השאלה היא, האם מחכות לנו עוד מהפכות בעתיד?" הוא ודה-גוביאה מוכנים להתערב שכן. "אנחנו רק התחלנו למדוד את התכונות של חלקיקי הניטרינו ברמה שמתקרבת למדידות שנערכו על חלקיקים אחרים," אומר דה-גוביאה. "איננו יודעים את המסות שלהם, יכולים להיות [סוגי ניטרינו] חדשים, חלקיקי הניטרינו עשויים לדבר עם חלקיקים שאינם מדברים עם אף אחד אחר."

DUNE תתמקד בנטייה המוזרה של חלקיקי ניטרינו להחליף זהויות, תהליך שקרוי תנודה (oscillation). יש לחלקיקים האלו שלושה סוגי זהויות, המכונים "טעמים": ניטרינו אלקטרוני, ניטרינו מיואוני וניטרינו טאואוני. החוקרים יכולים להבדיל ביניהם מכיוון שכשהם מגיבים עם אטומים שמצויים בתוך גלאים, הם מייצרים תוצרי קצה שונים – ניטרינו אלקטרוני מייצר אלקטרונים, ניטרינו מיואוני מייצר מיואונים וניטרינו טאואוני מייצר חלקיקי טאו (המיואון והטאו הם דודניו הכבדים יותר של האלקטרון). עד כמה שזה נשמע מוזר, שלושת הטעמים האלה יכולים להתחלף זה בזה. חלקיק אחד עשוי לעזוב את פרמילב בתור ניטרינו מיואוני ולהגיע לדקוטה הדרומית בתור ניטרינו אלקטרוני. או דווקא כניטרינו טאואוני. ככל שהפיזיקאים יודעים, חלקיקי ניטרינו הם החלקיקים היחידים שמתאפיינים בהתנהגות המוזרה הזאת של התמרת זהות.

כשהפיזיקאים גילו לפני עשור ומחצה את הנטייה הזאת של חלקיקי ניטרינו לשנות צורה, נפתרה תעלומה עקשנית. בשנות ה-60, כשמדענים החלו לחקור חלקיקי ניטרינו הזורמים מן השמש, הם מדדו רק כשליש מן הפלט שחזתה התיאוריה. תופעת התנודות הסבירה מדוע: שני השלישים החסרים הפכו מניטרינו אלקטרוני לניטרינו מיואוני או לניטרינו טאואוני בדרכם לכדור הארץ. ואולם, המכשירים כוונו לראות אך ורק חלקיקי ניטרינו אלקטרוני. על אף שהתגלית הזאת הצליחה ליישב את הבעיה הזאת, שכונתה בעיית הניטרינו הסולרי, הוא חשפה חידה חדשה: על פי התיאוריה, הדרך היחידה שבה חלקיקי הניטרינו יוכלו להחליף טעם היא רק אם יש להם מסה – וזה דבר שהמודל הסטנדרטי לא חזה.

הסיבה שהמדענים יודעים שלחלקיקי הניטרינו חייבת להיות מסה היא תוצאה חידתית של תורת הקוונטים. כדי שחלקיקי ניטרינו יוכלו להחליף טעם, כל טעם חייב להיות עשוי מכמה "מצבי מסה" שונים. זה אולי משונה, אבל נראה שאין מסה מובחנת לשום טעם של ניטרינו; במקום זאת, הטעמים הם תערובת של שלוש מסות אפשריות. (אם זה נשמע מוזר, תאשימו את מכניקת הקוונטים, שאומרת לנו שחלקיקים אינם ישויות מוחלטות אלא ערפילים אי ודאיים של הסתברויות.) כשניטרינו טס ברחבי החלל, החלקים המקושרים לכל מצב מסה נעים בקצב שונה במקצת זה מזה, כתוצאה מתורת היחסות הפרטית של איינשטיין שקבעה שמהירותו של חלקיק הנע במהירות קרובה למהירות האור תלוי במסה שלו. הסברה היא שבמהלך הזמן, ההבדל הזה הוא שגורם לתערובת המסות שבכל ניטרינו להשתנות, כך שחלקיק שמתחיל את דרכו למשל כניטרינו מיואוני, המוגדר על ידי תערובת המסות המדויקת שלו, יכול להפוך לניטרינו אלקטרוני או לניטרינו טאואוני.

"ניסוי הניטרינו במעמקי האדמה" (DUNE-Deep Underground Neutrino Experiment) יתחיל בפרמילב, שם מאיץ חלקיקים יאיץ פרוטונים ויטיח אותם לתוך גרפיט בשביל ליצור קרן של חלקיקי ניטרינו. לאחר מכן, חלקיקים אלו יטוסו דרך 1,300 קילומטר של אדמה, מאילינוי לדקוטה הדרומית. 500 הקילומטרים הנוספים שיהיה עליהם לעבור יגדילו את הסבירות שחלקיקי הניטרינו יפגינו חלק מן ההתנהגות המוזרה הייחודית להם. איור: Fermilab.
"ניסוי הניטרינו במעמקי האדמה" (DUNE-Deep Underground Neutrino Experiment) יתחיל בפרמילב, שם מאיץ חלקיקים יאיץ פרוטונים ויטיח אותם לתוך גרפיט בשביל ליצור קרן של חלקיקי ניטרינו. לאחר מכן, חלקיקים אלו יטוסו דרך 1,300 קילומטר של אדמה, מאילינוי לדקוטה הדרומית. 500 הקילומטרים הנוספים שיהיה עליהם לעבור יגדילו את הסבירות שחלקיקי הניטרינו יפגינו חלק מן ההתנהגות המוזרה הייחודית להם. איור: Fermilab / Deep Underground Neutrino Experiment.

המדענים עדיין אינם יודעים מהם מצבי מסת הניטרינו המדויקים – הם יודעים רק שהם שונים ושהם אינם אפס. ואולם, באמצעות מניית מספר חלקיקי הניטרינו שעוברים תנודה במהלך המסע מאילינוי לדקוטה הדרומית, DUNE ינסה לקבוע כיצד מצבי הניטרינו השונים מתייחסים זה לזה. על פי התיאוריה, ייתכן שהסדר של שלוש מסות הניטרינו האפשריות הוא כזה ששתיים מהם קטנות מאוד ואחת גדולה, או לחלופין, שתיים מן המסות הן גדולות ואחת קטנה יותר. האפשרות הראשונה מבין השניים קרויה ההיררכיה הנורמלית, ואילו הארגון השני מכונה ההיררכיה ההפוכה. DUNE אמור להיות מסוגל להבדיל בין שתי ההיררכיות מכיוון שהסברה היא שהחומר שבתוך כדור הארץ יכול להשפיע על תנודות ניטרינו; אם ההיררכיה הנורמלית היא הנכונה, היחסים בין שלושת הטעמים שהמדענים מצפים לגלות אמורים להיות שונים מאשר במקרה שההיררכיה ההפוכה נכונה. " באמצעות ירי חלקיקי ניטרינו דרך חומר, אפשר לקבוע את ההבדל הזה ממש בקלות, וככל שיורים את חלקיקי הניטרינו רחוק יותר, האות שיתקבל יהיה ברור יותר," אומר תומסון. "זה קטע פיזיקלי ש-DUNE בוודאות הולך לפצח בתוך כמה שנים."

מקור המסה

ברגע שהחוקרים יֵדעו את סדר המסות של חלקיקי הניטרינו, הם יוכלו לגשת לשאלה הגדולה יותר – כיצד חלקיקי ניטרינו רוכשים את המסה שלהם. מרבית החלקיקים, כמו למשל הקווארקים המרכיבים את הפרוטונים והניטרונים שבתוך אטומים, רוכשים את המסה שלהם באמצעות אינטראקציה עם שדה היגס; השדה הזה, שממלא את כל המרחב, מקושר לבוזון היגס שהתגלה ב-LHC. ואולם, מנגנון היגס פועל רק על חלקיקים שמופיעים גם בגרסה ימנית וגם בגרסה שמאלית, הבדל יסודי שקשור לכיוון של הספין שלהם ביחס לכיוון תנועתם. עד כה, חלקיקי ניטרינו נצפו אך ורק בצורה שמאלית. אם הם מקבלים מסה משדה היגס,  אז חייבים להיות בנמצא גם חלקיקי ניטרינו ימניים. ואולם, חלקיקי ניטרינו ימניים מעולם לא נצפו, וזה מעלה את האפשרות שאם הם אמיתיים, הם אינם מגיבים עם אף אחד מן הכוחות והחלקיקים שבטבע – ותכונה כזו נשמעת לכמה פיזיקאים בלתי סבירה. יותר מזה, אם שדה היגס אכן פועל על חלקיקי ניטרינו, אז התיאורטיקנים מצפים שיהיו להם מסות דומות לאלו של החלקיקים הידועים האחרים. ואולם, חלקיקי ניטרינו הם קלים במידה בלתי מתקבלת על הדעת. יהיו מה שיהיו מצבי המסות שלהם, הן קטנות יותר מפי מאה אלף מן המסה של האלקטרון, הזערורי בין כך ובין כך. "מעט מאוד אנשים סבורים שמנגנון היגס הוא שנותן מסה לחלקיקי הניטרינו," אומר מנהל פרמילב, נייג'ל לוקייר. "ככל הנראה יש מנגנון שונה לגמרי, ולפיכך אמורים להיות חלקיקים אחרים המקושרים עם האופן שבו זה מתרחש."

אחת האפשרויות, שמלהיבה את הפיזיקאים, היא שחלקיקי ניטרינו עשויים להיות חלקיקי מיורנה – כלומר חלקיקים שהם האנטי-חלקיקים של עצמם. (זה אפשרי מכיוון שלחלקיקי ניטרינו אין מטען חשמלי, והרי ההבדל במטען הוא מה שמבדיל בין חלקיק ובין בן זוגו האנטי-חלקיק.) התיאורטיקנים סבורים שלחלקיקי מיורנה יש דרך לקבל מסה בלי לערב את שדה היגס – אולי באמצעות אינטראקציות עם שדה חדש שטרם נתגלה. המתמטיקה שמאחורי התרחיש הזה דורשת גם את קיומה של קבוצה כבדה מאוד של חלקיקי ניטרינו שטרם התגלתה; חלקיקים אלו יהיו בעלי מסה גדולה עד פי 1012 מן המסה של כמה מן החלקיקים הכבדים ביותר הידועים, ובמובן מסוים הם יאזנו את חלקיקי הניטרינו הקלים. הסיכוי לגלות קנה מידה חדש של מסות מהלך קסם על פיזיקאי חלקיקים. "מבחינה היסטורית, תמיד התקדמנו על ידי כך שחקרנו את הטבע בקני מידה שונים," אומר דה גוביאה. ואם שדה חדש כלשהו מעניק מסה לחלקיקי הניטרינו, ייתכן שהוא משפיע גם על חלקיקים אחרים. "אם הטבע יודע איך לעשות זאת עם חלקיקי ניטרינו, איפה עוד הוא עושה את זה?" לוקייר מעלה השערות. "התיאורטיקנים שואלים: הייתכן שהחומר האפל הוא מסת מיורנה?"

DUNE לא יבדוק במישרין אם חלקיקי ניטרינו הם חלקיקי מיורנה, אבל באמצעות מדידת היררכיית המסות, הוא יעזור למדענים לפרש את התוצאות של ניסויים שכן בודקים זאת – ניסויים שנערכים כעת ביפן, באירופה, בארה"ב ובעוד מקומות. בנוסף, DUNE אמור לעזור לזרות אור על מקור מסת הניטרינו על ידי כך שיספק פרטים באשר לאופן שבו חלקיקי ניטרינו עוברים משילוב מסות אחד לאחר במהלך תנודה. "אנחנו רוצים לערוך את ניסוי תנודת הניטרינו הטוב ביותר שאפשר," אומר דה גוביאה, "מכיוון שזה בדיוק המקום שבו אנחנו יודעים שנלמד משהו על מסות של חלקיקי ניטרינו."

חומר נגד אנטי-חומר

ההתבוננות המעמיקה בתכונות המוזרות של החלקיקים הזערוריים האלה תוכל לעזור גם לפתור תעלומה בקנה מידה קוסמי: מדוע היקום עשוי מחומר ולא מאנטי-חומר.

המזרק הראשי של פרמילב, מאיץ חלקיקים טבעתי תת-קרקעי, משתמש בפולסים של פרוטונים בשביל ליצור קרני ניטרינו שייחקרו על ידי הניסוי DUNE. באדיבות המחלקה לאנרגיה ופרמילב.
המזרק הראשי של פרמילב, מאיץ חלקיקים טבעתי תת-קרקעי, משתמש בפולסים של פרוטונים בשביל ליצור קרני ניטרינו שייחקרו על ידי הניסוי DUNE. באדיבות המחלקה לאנרגיה ופרמילב.

על פי התחזית של הקוסמולוגים, החומר והאנטי-חומר היו אמורים להימצא בכמויות שוות לאחר המפץ הגדול. בדרך כלשהי, לאחר שמרבית החומר התאיין עם מרבית האנטי-חומר (שהרי השניים האלה אינם יכולים לבוא במגע זה עם זה מבלי לגרום להשמדה הדדית), נשארה יתרה קלה של חומר. החומר הזה הוא שמרכיב את הגלקסיות, את הכוכבים ואת כוכבי הלכת שאנו רואים היום.

כדי להסביר את אי הסימטריה הזאת, המדענים עומדים על המשמר בציפייה לאתר סוג של חלקיק שמתנהג באפן אחר מבן זוגו האנטי-חומרי, ויש כמה רמזים, ובכללם סימנים שנצפו בניסויים אחרים, המורים על חלקיקי הניטרינו. DUNE יחפש סימנים של שבירת סימטריית (CP (Charge Parity violation – במילים אחרות, ראיות שחלקיקי אנטי-ניטרינו עוברים תנודה מטעם לטעם בקצב אחר מאשר חלקיקי ניטרינו. לדוגמה, התיאוריה מעלה את האפשרות ש-DUNE עשוי לראות חלקיקי ניטרינו מיואוני אנטי-חומריים הופכים לחלקיקי ניטרינו אלקטרוני בקצב שנע ממחצית הקצב שבו חלקיקי ניטרינו חומריים עוברים את השינוי הזה ועד פי שניים ממנו – הבדל שפארק מכנה "עצום" ושיסביר מדוע החומר ניצח באותו קרב קדמוני. (עד כמה שזה נשמע תמוה, חלקיקי ניטרינו יוכלו להתנודד באופן אחר מחלקיקי אנטי-ניטרינו, אפילו אם יתברר שהשניים הם בעצם אותו דבר – כלומר, אם חלקיקי ניטרינו הם חלקיקי מיורנה. במקרה הזה, הדבר היחיד שיבדיל בין חלקיקי ניטרינו לחלקיקי אנטי-ניטרינו יהיה השאלה אם הם ימניים או שמאליים, בהקשר לכיוון הספין שלהם. חלקיקי ניטרינו חומריים, שהם שמאליים, יוכלו להתנהג באופן שונה מחלקיקי ניטרינו אנטי-חומריים, שיהיו ימניים.)

DUNE יוכל גם לקבוע האם יש לחלקיקי הניטרינו רק שלושה טעמים או שמא יש עוד כמה שמחכים להתגלות, כפי שמשערים כמה תיאורטיקנים. טעמי הניטרינו הנוספים יהיו מן הסוג המכונה ניטרינים סטריליים, מכיוון שהם אינם מגיבים כלל  עם חומר רגיל. ניסויים שנערכו בעבר, כמו למשל גלאי הניטרונים הנוזלי בעזרת ניצוצות (Liquid Scintillator Neutrino Detector) שבמעבדה הלאומית בלוס אלמוס וה-MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) שבפרמילב הראו סימנים לא חד משמעיים לכך שסוג נוסף של ניטרינו יוצר הפרעות בתנודות, והדבר מרמז על כך שקיימים חלקיקי ניטרינו סטריליים וכי הם כבדים יותר משלושת סוגי הניטרינו הרגילים. החוקרים מקווים ש-DUNE תאשש את האפשרות הזאת או תפריך אותה. "ניטרינים סטריליים יכולים לשנות את דפוס התנודות שאנו רואים ב-DUNE במידה בלתי מבוטלת," אומר תומסון.

מתערבים על כל הקופה

כדי להתמודד עם כל החידות האלה, תכננו המדענים את DUNE כך שיאסוף הרבה יותר נתונים, ברמות דיוק הרבה יותר גבוהות מאשר בכל ניסוי ניטרינו שקדם לו. בפרויקט הזה ישתמשו בקרן ניטרינו שעוצמתה גדולה בערך פי שניים יותר מזרם הניטרינו החזק ביותר הקיים כיום באנרגיה גבוהה, והוא יטיח את הקרן הזאת בגלאי גדול פי 100 יותר מן הגלאי הגדול ביותר מסוגו כיום.

ליבו של הניסוי הזה יהיה הגלאי הרחוק, שיוצב במתקן המחקר התת-קרקעי על שם סנפורד שבעיירה לִיד, שבדקוטה הדרומית. המכונה הזאת תהיה מורכבת מארבעה מודולים של גלאים, שכל אחד מהם ארוך כמו בריכה אולימפית אבל עמוק ממנה פי שישה, והוא ימולא ב-17,000 טונות של ארגון נוזלי. כשחלקיק ניטרינו יפגע בגרעין של אטום ארגון, אם בגלאי הקרוב ואם בגלאי הרחוק, הוא יהפוך – בהתאם לטעם שלו –לאלקטרון, למיואון או לחלקיק טאו. מיואונים יעברו דרך הארגון הנוזלי בקווים ישרים, תוך כדי שהם בועטים אלקטרונים החוצה מתוך אטומי ארגון, ויותירו מאחוריהם שובל של אלקטרונים שהגלאי יכול לראות. מצד אחר, אם הניטרינו ייצור אלקטרון, התהליך ייצור פוטון שיוליד שני אלקטרונים, ואז עוד פוטונים וכן הלאה, במפל של חלקיקים חדשים. חלקיקי ניטרינו טאואוני, בדומה לכך, יפיקו חלקיקי טאו – אבל רק אם לניטרינו ההתחלתי הייתה די אנרגיה; חלקיקי טאו, שהמסה שלהם גדולה יותר משל אלקטרונים או מיואונים, זקוקים ליותר אנרגיה כדי להיווצר. המדענים ב-CERN יתחילו לבחון גרסאות מוקטנות של הגלאי הרחוק של DUNE ב- 2018. "הגלאים האלה דומים קצת למשימות חלל מכיוון שברגע שהם יוצאים לדרך אי אפשר באמת לעצור אותם ולפרק אותם כדי לתקן דברים," אומר ג'וזף ליקן, סגן המנהל של פרמילב. "ברגע שהכנסתם פנימה את 17,000 הטונות של ארגון נוזלי, פשוט קשה מדי להוציא אותם משם."

כדי להצליח, יצטרך  DUNE להתגבר על המשוכות התקציביות והפוליטיות שגדעו פרויקטים פיזיקליים גדולים בעבר. ביולי 2017, קיימו מדענים וגורמים רשמיים טקס פורץ דרך במתקן על שם סנפורד שסימל את תחילתו של מבצע חפירה כביר, שיימשך לפחות שלוש שנים. מובן שהרבה מאוד חפירות בוצעו לצורך ה-SSC, שתוכנן להיות גדול יותר אפילו מה-LHC. ה-SSC היה ככל הנראה מצליח לגלות את בוזון היגס, אך הוא בוטל ב-1993 בגלל עלויות חריגות ובגלל אופנות פוליטיות משתנות. "אפשר להתבונן בעבר ולהיזכר בעל-מאיץ, ו-אוף, איזה סיפור עצוב זה היה," אומר לוקייר. "האופי הבין-לאומי של DUNE הוא צעד עצום קדימה." מחויבויות ומימון שמגיעים מיותר ממדינה אחת יעזרו ל-DUNE להימנע מגורלו העגום של ה-SSC. "אני אומר שזה בהחלט הולך לצאת לפועל," אומר לוקייר. ואז הוא נמלך רגע בדעתו: "אבל האם ייתכן שזה לא יצא לפועל? כן."

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

3 תגובות

  1. אין קשר למהירות הניטרינו. יש חלקיקים מהירים יותר שאין לנו שום בעיה לגלות, כמו בוזוני הכיול למיניהם. הקושי נובע מחולשת האינטראקציה שלו עם שאר תכולת החלקיקים של המודל הסטנדרטי.

  2. ניטרון אולי יהפוך לפרוטון+אלקטרון ופרוטון לניטרון+פיאון

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן