גלאי XENONnT, שנבנה לחיפוש חומר אפל, זיהה במובהקות של 5 סיגמא נייטרינו סולאריים באנרגיות של עד 17 קילו־אלקטרון־וולט. קבוצתו של פרופ' רני בודניק ממכון ויצמן שותפה במחקר הבינלאומי
גלאי שנבנה כדי לחפש את החומר האפל בגלקסיה שלנו הצליח למדוד נייטרינו מן השמש באנרגיות הנמוכות ביותר שנצפו אי פעם. שיתוף הפעולה הבינלאומי XENON דיווח כי גלאי XENONnT זיהה פיזור של נייטרינו סולאריים מאלקטרונים, ברמת מובהקות של 5 סיגמא – הרף המקובל בפיזיקת החלקיקים להכרזה על תגלית.
המדידה רגישה לנייטרינו שאנרגייתם נמוכה עד כ־17 קילו־אלקטרון־וולט (keV), סף נמוך בסדר גודל מזה שהושג במדידה הקודמת בניסוי Borexino. קבוצת המחקר של פרופ' רני בודניק מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע שותפה בפרויקט, הכולל קבוצות מכ־30 מוסדות מחקר בעולם.
בכל שנייה חולפים דרך כל סנטימטר רבוע על פני כדור הארץ עשרות מיליארדי נייטרינו שנוצרו בתגובות ההיתוך הגרעיני בשמש. למרות מספרם העצום, הם כמעט אינם מקיימים אינטראקציה עם חומר. תכונה זו מאפשרת להם לצאת מליבת השמש ולשאת מידע ישיר על התהליכים המתרחשים בה, אך גם הופכת את זיהוים לאחד האתגרים הקשים בפיזיקה הניסויית.
הנייטרינו הנפוצים ביותר מהשמש
האות שנמדד נשלט בידי נייטרינו מסוג pp. הם נוצרים בתחילת שרשרת הפרוטון־פרוטון, כאשר שני פרוטונים מתמזגים ונוצרים גרעין דאוטריום, פוזיטרון ונייטרינו אלקטרוני. תגובות אלה הן מקור האנרגיה העיקרי של השמש, ונייטרינו pp מהווים כ־90% משטף הנייטרינו הסולאריים.
דווקא משום שאנרגייתם נמוכה יחסית – פחות מ־425 keV – קשה למדוד אותם. בניתוח החדש השתמשו החוקרים בנתוני שתי תקופות המדידה הראשונות של XENONnT, בהיקף חשיפה כולל של 2.46 טון־שנה. הם בחנו החזרי אלקטרונים באנרגיות שבין 1 ל־140 keV, הנוצרים כאשר נייטרינו מתפזר פיזור אלסטי מאלקטרון באטום הקסנון.
החוקרים מדדו שטף של נייטרינו pp בגובה 10.2 ועוד או פחות 2.0 כפול 10 בחזקת 10 חלקיקים לסנטימטר רבוע בשנייה. התוצאה גבוהה מן המדידה הקודמת של Borexino, אך עקבית איתה מבחינה סטטיסטית ברמה של 1.9 סיגמא.
5.9 טונות קסנון מתחת להר
בלב XENONnT נמצא תא הקרנה דו־פאזי ובו 5.9 טונות של קסנון נוזלי טהור במיוחד. הגלאי מותקן במעבדה הלאומית גראן סאסו באיטליה, בעומק של כ־1,400 מטר מתחת לסלע ההר. שכבת הסלע מפחיתה בערך פי מיליון את שטף המיואונים מן הקרינה הקוסמית, וגלאי מים המקיפים את המתקן מסייעים לזהות ולפסול מיואונים ונייטרונים שנותרו.
כאשר חלקיק מקיים אינטראקציה עם הקסנון, הוא יוצר הבזק אור זעיר ואלקטרוני יינון. מערך של 494 מכפילי אור מודד שני אותות נפרדים: אור מיידי מן הקסנון הנוזלי ואור משני שנוצר לאחר שהאלקטרונים נמשכים לשכבת קסנון גזי. שילוב האותות מאפשר לשחזר את מיקום האירוע בתלת־ממד ולבודד אזור פנימי המוגן טוב יותר מקרינת רקע.
אולם כאשר מחפשים נייטרינו דלי אנרגיה, האתגר העיקרי מגיע מתוך הגלאי עצמו. כמויות זעירות של ראדון רדיואקטיבי נפלטות מחומרי המתקן, ותוצרי הדעיכה שלו – ובייחוד עופרת־214 – יכולים לחקות את האות המבוקש. גם קריפטון־85 ומקורות רדיואקטיביים נוספים תורמים לרקע.
כדי להגיע למובהקות הנדרשת פיתחו אנשי XENON במשך שנים שיטות לבחירת חומרים נקיים, למדידת כל מרכיבי הרקע ולסילוק רציף של ראדון מן הקסנון באמצעות מערכת זיקוק קריוגנית. ההישג אינו מסתכם אפוא בגלאי גדול, אלא ביכולת להבין ולכמת אירועים נדירים מאוד בתוך סביבה בעלת רמת קרינה נמוכה במיוחד.
מחיפוש חומר אפל למצפה רב־תכליתי
XENONnT נועד בראש ובראשונה לחיפוש ישיר אחר חלקיקי חומר אפל, המשוער כי הוא מהווה כ־85% מכלל החומר ביקום. החומר האפל אינו נראה, אך קיומו מוסק מהשפעת הכבידה שלו על חומר נראה ועל מבנים קוסמיים. עד כה לא זוהה החלקיק שמרכיב אותו.
הטכנולוגיה שנבנתה כדי לקלוט אינטראקציות נדירות של חומר אפל מאפשרת כעת לחקור גם את הפיזיקה של הנייטרינו. לאחר שבשנים האחרונות נמדדו בגלאי קסנון נייטרינו סולאריים עתירי אנרגיה שמקורם בבורון־8 באמצעות פיזור קוהרנטי מגרעיני אטומים, המדידה החדשה משתמשת בפיזור מאלקטרונים ומגיעה אל הנייטרינו הנפוצים ודלי האנרגיה של שרשרת pp.
לדברי פרופ' בודניק, המדידה החדשה התאפשרה בזכות רגישות הגילוי הגבוהה ורעשי הרקע המזעריים שהושגו במסגרת החיפוש אחר חומר אפל. לדבריו, הפיזיקה של אירועים נדירים, ובהם נייטרינו, הופכת למטרה מדעית בפני עצמה, והתוצאות הנוכחיות הן רק ההתחלה.
הדור הבא המתוכנן, XLZD, אמור להכיל כמות קסנון גדולה בערך פי עשרה מזו שב־XENONnT. החוקרים מקווים כי הוא ירחיב את החיפוש אחר חומר אפל, יאפשר מדידות מדויקות בהרבה של נייטרינו סולאריים דלי אנרגיה ויפתח אפשרויות לחקר תהליכים נדירים נוספים. במובן זה, גלאי החומר האפל מתפתח בהדרגה למצפה תת־קרקעי רב־תכליתי לפיזיקת חלקיקים ולאסטרופיזיקה.
שאלות ותשובות
מה מיוחד במדידה החדשה?
זו המדידה הראשונה של נייטרינו סולאריים באמצעות פיזור אלסטי מאלקטרונים בניסוי שנועד לחיפוש חומר אפל, והיא הורידה את סף אנרגיית הנייטרינו הנמדדת לכ־17 keV – הנמוך ביותר עד כה.
מדוע קשה כל כך לגלות נייטרינו?
נייטרינו חסרי מטען חשמלי ומקיימים אינטראקציה עם חומר לעיתים נדירות מאוד. רובם חולפים דרך השמש, כדור הארץ וגוף האדם בלי להשאיר עקבה, ולכן נדרשים גלאים גדולים, נקיים ורגישים במיוחד.
כיצד גלאי לחומר אפל יכול למדוד נייטרינו?
גם חלקיקי חומר אפל משוערים וגם נייטרינו עשויים ליצור אינטראקציות זעירות ונדירות בתוך הקסנון. הרקע הנמוך והיכולת למדוד הבזקי אור ויינון חלשים מאפשרים ל־XENONnT להבחין באות הסטטיסטי של פגיעות הנייטרינו.
מה חלקו של מכון ויצמן במחקר?
קבוצתו של פרופ' רני בודניק מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה שותפה בשיתוף הפעולה XENON. בודניק היה חבר בוועדה המדעית האחראית לפרסומי שיתוף הפעולה.
המאמר המדעי
עוד בנושא באתר הידען
- האם הנייטרינו יחשפו למה היקום קיים?
- מתקן ענק בסין יחקור את חלקיקי הנייטרינו
- נייטרינו בעל האנרגיה הגבוהה ביותר עד כה התגלה במתקן תת־ימי
- איזו קלאסה, יש לי מסה! – נובל בפיזיקה למדענים שחשפו את סודות הנייטרינו
- שיתוף פעולה בין גלאי הנייטרינו לטלסקופ חלל הביא לזיהוי מקור קוסמי