תַקצִיר
נייטרינוֹאים הם חלקיקים זעירים, תת-אטומיים. מיליארדים מהם עוברים דרכנו בכל שנייה – מרביתם מגיעים מהשמש שלנו. אולם שלא כמו אור השמש שאנו יכולים לראות בקלות, קשה מאוד לְאַתֵּר נייטרינואים. כדי “לראות” אותם, אנו צריכים לבנות גַּלָּאִים גדולים מאוד ולחסום אותות מכל החלקיקים האחרים. מדענים עושים זאת על ידי בניית חיישני נייטרינוֹ עמוק מתחת לאדמה. במאמר הזה, אתם תלמדו כיצד הגלאים העצומים האלה יכולים לסייע לפענח את ה“הודעות” שהחלקיקים דמויי רוחות הרפאים האלה שולחים לגבי ההרכּב של הכוכבים, הגלקסיות, היקום, וההיסטוריה שלהם.
הקדמה
נייטרינואים הם חלקיקים זעירים, תת-אטומיים, שנראים כמעט כמו רוחות רפאים. מיליארדים מהם עוברים דרכנו בכל שנייה בלי להותיר סימן!
מרביתם מגיעים מהתגובות הגרעיניות שמתדלקות את השמש שלנו. אולם שלא כמו אור השמש שאנו רואים ומרגישים על הפנים שלנו, החלקיקים דמויי רוחות הרפאים האלה לעיתים קרובות לא מְתַקְשְׁרִים עם חומרים רגילים. כדי “לראות” נייטרינואים, מדענים בונים גלאים גדולים מאוד ורגישים, לעיתים קרובות עמוק מתחת לאדמה. החומר שמרכיב את כדור הארץ מסייע לסנן אותות מחלקיקים אחרים, כך שלאותות שנובעים מהאינטראקציות הנדירות של נייטרינואים יש סיכוי להיות מאותרים. הגלאים העצומים האלה מסייעים למדענים לאתר את ה“הודעות” שהחלקיקים דמויי רוחות הרפאים האלה נושאים. כאשר מדענים מפענחים את ההודעות, הם לומדים על הקשר בין נייטרינואים לבין ההרכב של כוכבים, גלקסיות היקום וההיסטוריה שלהם.
מהו נייטרינוֹ?
נייטרינואים הם חלקיקים קלים מאוד ללא מטען חשמלי. הם נפלטים כאשר גרעין אטום לא יציב דועך. דעיכה רדיואקטיבית כזו מתרחשת כל הזמן סביבנו. מינרלים בסלעים ואפילו אשלגן בבננות דועכים ומייצרים נייטרינואים (ראו איור 1). אולם הרבה יותר נייטרינואים מגיעים מהתגובות הגרעיניות בשמש מאשר מכל מקור אחר.
- איור 1 - דעיכה של אטום רדיואקטיבי, אשלגן 40 – שנמצא בבננות ויש לו 40 פרוטונים (p) וניוטרונים (n) בגרעין – אל סידן 40, פלוס אלקטרון (e–) וחלקיק שליח נייטראלי דמוי רוח רפאים שנקרא נייטרינו (האות היוונית: ν שמבוטאת כ-nu).
- הבנת ההתנהגות של נייטרינואים עשויה לסייע לחשוף סודות חשובים של היקום. קרדיט: טיפאני באומן, המעבדה הלאומית ברוקהייבן.
לא משנה מה המקור שלהם, נייטרינואים הם לגמרי לא מזיקים מאחר שהם לא מתחברים יחד או מְתַקְשְׁרִים עם כמעט שום דבר. הם מגיעים מהשמש ומהחלל החיצון ועוברים ישירות דרך חומר רגיל – אפילו דרך הגוף שלנו ודרך כדור הארץ עצמו – בלי שנדע. באופן הזה, הם קצת כמו רוחות רפאים – כאן, ובכל זאת בלתי נראים. אולם מאחר שנייטרינואים נושאים מידע על מה שמתרחש בתוך הליבות של כוכבים ושל גלקסיות, מדענים רוצים לדעת עליהם הרבה יותר. נייטרינואים עשוים אפילו לסייע לנו להבין מה התרחש כאשר היקום שלנו נוצר לפני כמעט 14 מיליארדי שנים!
איך לתפוס חלקיק דמוי רוח רפאים
נייטרינואים לעיתים רחוקות מתקשרים עם חומר רגיל, ולכן קשה מאוד לאתר אותם.
אם תמקמו כוס מים על שולחן, מיליארד נייטרינואים יעברו דרכה בכל שנייה. מרבית החלקיקים המיסתוריים האלה נעים ישר דרך החומר בלי ליצור קול או להשאיר סימן. אולם לעיתים נדירות ביותר, בסביבות פעם אחת בכל עשרה מיליון-מיליארד פעמים, נייטרינו יכה באחד מהאטומים שמרכיבים את מולקולת המים. האינטראקציה הנדירה הזו עשויה ליצור הבהוב אור זעיר או להותיר מטען חשמלי חופשי. ההבהוב הזה חלש מכדי לראותו בעיניים. אולם מדענים יכולים לבנות גלאים רגישים מאוד במטרה לאתר את האותות החלשים האלה. כמו משהו מהסרט “מכסחי השדים”, האלקטרוניקה שבתוך הגלאים מגבירה את האותות כדי להפוך את “רוחות הרפאים” הבלתי נראות לנראות!
אולם הַמְתָּנָה להתרחשות של אחת מתוך עשרה מיליון-מיליארד אינטראקציות יכולה לארוך זמן רב מאוד. כדי לתפוס מספיק נייטרינואים במטרה ללמוד משהו עליהם, מדענים צריכים “כוס מים” גדולה יותר – מכלים ענקים שמלאים במיליוני ליטרים! והם צריכים לשים את מכלי הגלאים העצומים עמוק מתחת לאדמה.
מדוע? מאחר שנייטרינואים הם לא החלקיקים היחידים שחוצים את כדור הארץ. הרבה חלקיקים אנרגטיים אחרים שידועים כקרינה קוסמית גם זורמים מהחלל החיצון. כל אחד מחלקיקי הקרינה הקוסמית האלה יכול לגרום לאינטראקציה עם הגלאים. אם מְכָל הגלאי היה מעל לאדמה, מיליוני אינטראקציות של חלקיקי קרינה קוסמית היו ממסכים בקלות את אותות הנייטרינו הנדירים. אולם כאשר הגלאים עמוק בתוך האדמה, הקרינה הקוסמית נעצרת על ידי אינטראקציות עם האטומים של כדור הארץ, בעוד שהנייטרינואים עוברים ישר הלאה ומשאירים את חותמם בגלאים.
סוגים שונים של נייטרינואים וגלאים
לנייטרינואים יש טווח גדול של אנרגיות. הווריאציה הזו יכולה להוביל או להבהוב אור זעיר, או להבהוב בהיר מאוד בגלאים שמלאים במים. נייטרינואים גם מגיעים בשלושה סוגים שונים, שנקראים “טעמים”. מדענים למדו כיצד לבנות גלאים שמתאימים לכל סוג של נייטרינו ולטווח האנרגיות הרחב שלהם.
האינטארקציה של כל סוג שונה של נייטרינו מייצרת סוג אחר של מטען טעון שלילית. נייטרינו אלקטרוני מייצר אלקטרון (די פשוט, לא?). שני סוגי הנייטרינו האחרים נקראים על שם חלקיקים תת-אטומיים אחרים, כבדים יותר: נייטרינו מיואוני מייצר חלקיק מיוּאוֹן; ונייטרינו טאואוני מייצר חלקיק טאוּ.
ישנן גם גרסאות אנטי-חומר לשלושת טעמי הנייטרינו. אלו בדיוק אותו הדבר כמו נייטרינואים רגילים, פרט לכך שהם מייצרים חלקיקים טעונים חיובית בגלאים.
מדענים יכולים להבחין בין החלקיקים האלה מאחר שכל סוג משאיר תבנית שונה בגלאי. לדוגמה, מיואון משאיר עקבות ישרות, אלקטרונים נראים כמו מטחים, וחלקיקי טאו דועכים במהירות ומייצרים מספר עקבות ישרות. באמצעות תבניות שונות, מדענים יכולים לפענח את טעמי הנייטרינו ואת ההודעות החבויות שנישאות על ידי כל חלקיק דמוי רוח רפאים.
אלקטרוניקה רגישה מצלמת תמונות בתלת-ממד
קבוצת מדענים בונה כיום גלאי נייטרינו ענק עמוק מתחת לאדמה בדרום דקוטה בארצות הברית. הניסוי הזה ידוע בתור DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). הגלאי שלו יהיה מלא באַרְגּוֹן נוזלי.
גז ארגון מרכיב 1% בלבד מהאטמוספרה שלנו, אולם מדענים יכולים לאסוף אותו וליצור גז ארגון נקי מאוד. הנוזל הסוּפר-קר הזה (−186°C) מקל על איתור הנתיבים של המטענים הטעונים שמיוצרים על ידי אינטראקציות נייטרינו. הסיבה לכך היא שכאשר חלקיקים טעונים מהירים נעים דרך הארגון הם מייננים את אטומי הארגון בדרך שלהם. היינוּן הזה מאפשר לנתיבים שהם משאירים להופיע כמו “ברקים”.
אולם בניית חיישני ארגון נוזלי היא אתגר גדול. כדי לוודא שהעיצוב החדש הזה יעבוד, הצוות הבינלאומי בנה ובדק לאחרונה גרסה קטנה, שידועה כ-ProtoDUNE (ראו איור 2). הם צילמו סוגי חלקיקים שונים דרך הגלאי הזה במעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים בוועידה האירופית למחקר גרעיני (CERN). אלקטרוניקה שתוכננה בקפידה איתרה את האותות ומדדה אותם, והמחשבים המירו את המדידות האלה לתמונות תלת-ממדיות יפהפיות (ראו וידאו 1) – כמו מצלמה דיגיטלית של חמישה מגה פיקסלים שעובדת בשלושה ממדים!
- איור 2 - מדען עומד בתוך גלאי ה-ProtoDUNE במעבדת CERN האירופית לפני שהוא מולא בגז ארגון נקי וקר (–186°C)! המדען בוחן את פני השטח הפנימיים, שנמצאים בקופסה מבודדת העשויה פלדת אל-חלד נקייה מאוד.
- כאשר החיישן ממולא ופעיל, המשטחים האלה מופעלים במתח גבוה כדי לגרום לחלקיקים הטעונים שמיוצרים על ידי יינון של הארגוֹן הנוזלי להיסחף ולהיאסף על ידי אלקטרוניקה רגישה, כך שמדענים יוכלו לתעד אותם. קרדיט: מעבדת פרמי למאיץ הלאומי.
- וידאו 1 - האיור הזה מראה את מסלוליהם של הרבה חלקיקי קרינה קוסמית שעוברים דרך גלאי ה-ProtoDUNE.
- הנתונים האלה שימשו לבחון את ביצועיו של הגלאי. הצבעים קשורים לעוצמת היינון בנוזל הארגון (אדום מורה על עוצמה קטנה יותר, וכחול על עוצמה גדולה יותר). היינון מוזז על ידי הפעלת שדה חשמלי חזק על הגלאי. התמונה התלת-ממדית הזו נוצרה על ידי ניתוח ושילוב של אותות אלקטרוניים מאלפי חוטים על הקירות, שמתנהגים כמו פיקסלים במצלמה דיגיטלית. קרדיט: צ’או זהאנג, המעבדה הלאומית של ברוקהייבן. אתם יכולים לראות את הנתונים האלה בשלושה ממדים בקישור הזה.
שליחים מהשמש, מהאטמוספרה, מכּוּרים גרעיניים וממאיצים
ב-50 השנים האחרונות, מדענים השתפרו באיתור נייטרינואים. הם מדדו אותם כשהם הגיעו מהשמש, מהתנגשויות של קרינה קוסמית עם אטומים באטמוספרה של כדור הארץ, ומתגובות גרעיניות שמייצרות חשמל (ראו איור 3). הם גם למדו ליצור נייטרינואים אנרגטיים מאוד במאיצי חלקיקים עוצמתיים.
- איור 3 - רבעת המקורות של נייטרינואים שמשמשים בניסויים.
- (A) השמש מייצרת נייטרינו אלקטרוני (νe). (B) נייטרינואים משני סוגים, נייטרינו מיואוני (νμ) ואלקטרוני (νe) מיוצרים על ידי התנגשויות של קרינה קוסמית באנרגיה גבוהה עם אטומים באטמוספרה של כדור הארץ. (C) כורים גרעיניים פולטים אנטי-נייטרינו אלקטרוני (anti νe). (D) מאיצי פרוטונים באנרגיות גבוהות מייצרים אלומת נייטרינו מיואוני (νμ) שמנותבת דרך כדור הארץ. גלאים ממוקמים במרחקים שונים מהמקורות. קרדיט: טיפאני בואמן, המעבדה הלאומית של ברוקהייבן.
כל סוג של מקור מייצר טעמי נייטרינו שונים באנרגיות שונות. על ידי ספירה זהירה של נייטרינואים בכל טעם במרחקים שונים מהמקורות האלה, מדענים גילו שתי תגליות מדהימות על נייטרינואים. ראשית, הם גילו שנייטרינואים משלושה סוגים שונים משנים צורה אחד לשני כשהם מטיילים דרך החלל! במילים אחרות, ההודעות שנייטרינואים נושאים משתנות כשהם עפים. שנית, הם גילו שלנייטרינואים יש מסה קטנה מאוד! כל חלקיק נייטרינו שוקל פחות ממיליונית ממסתו של אלקטרון.
הניסוי הראשון שאיתר בהצלחה נייטרינואים מהשמש, אשר נערך על ידי ריימונד דייויס במעבדה הלאומית של ברוקהייבן בשנות ה-1960, מצא הפתעה: הרבה מהנייטרינואים שמדענים ציפו לְאַתֵּר היו איכשהו “חסרים”. אולם זה לא היה בגלל שהגלאי לא עבד. המדענים עיצבו את הגלאים שלהם כך שיקבלו רק סוג אחד של נייטרינואים מסוג נייטרינו אלקטרוני שיוצרו בליבת השמש. הם יכלו לחשב בדיוק כמה נייטרינואים אלקטרונים אמורים להיות מאותרים. אולם רק כשליש מהנייטרינואים האלקטרונים הצפויים התגלו בגלאי.
באמצעות ניסויי המשך, מדענים בסופו של דבר למדו מהי הסיבה מאחורי התעלומה הזו: חלק מהנייטרינואים האלקטרונים שינו צורה לאחד משני הטעמים האחרים (מיואוני או טאואוני) בזמן שהיו במסע שלהם מהשמש. מאחר שהגלאי היה עיוור לשני הטעמים האחרים האלה, נדמה היה שהם חסרים!
תגליתו של דייויד לגבי “המחסור בנייטרינו סולרי” הייתה, תחילה, שנויה מאוד במחלוקת. היא הייתה צריכה להיבחן בניסויים נוספים. ניסויים אחרים השתמשו בנייטרינואים אטמוספרים, בנייטרינואים בכורים גרעיניים ובנייטרינואים במאיצים. בכל הניסוייים האלה, מדענים מצאו שטעמי הנייטרינואים היו “נעלמים”, והופכים לטעמים אחרים לאורך מרחק גדול.
ניסוי ה-DUNE החדש בארצת הברית, וניסוי ההיפר-קמיוקנדה ביפן, יגלו פרטים נוספים על התנהגות שינוי הצורה של נייטרינואים ואנטי-נייטרינואים. אם מדענים ימצאו הבדל בין האופן שבו נייטרינואים ואנטי-נייטרינואים משנים צורה, זה עשוי לפתור את אחת התעלומות החשובות ביותר ביקום: מדוע היקום מורכב רק מחומר ולא מאנטי-חומר.
מדענים חושבים שגם חומר וגם אנטי-חומר נוצרו בכמויות שונות במפץ הגדול. כמויות שוות של שני ההפכים האלה היו צריכות להרוס זו את זו ולהשאיר רק אור! לכן, הקיום של חומר כיום הוא ראיה לכך שהיה עודף קטן של חומר. ייתכן שההבדל בין נייטרינואים לבין אנטי-נייטרינואים גרם לעודף הקטן הזה בזמן שהיקום התפשט והתקרר. אם זה נכון, אנו צריכים להודות לנייטרינואים על היקום שיש לנו היום, שמלא בכל הדברים שאנו רואים סביבנו, כולל סלעים, צמחים, חיות ואנשים!
מילון מונחים
תגובות גרעיניות (Nuclear Reactions): ↑ תגובות גרעיניות מתרחשות כאשר גרעינים אטומים מגיבים זה עם זה ויוצרים גרעינים אחרים. בשמש, גרעיני מימן (פרוטונים) משתלבים כדי ליצור גרעיני הליום ולשחרר אנרגיה – חום ואור שמש.
דעיכה רדיואקטיבית (Radioactive Decay): ↑ הגרעינים של הרבה אטומים אינם יציבים, ובמהלך הזמן הם מתפרקים ומשחררים חלקיקים אנרגטיים כמו למשל קרני אלפא, בטה וגמא. התהליך הזה של התפרקות נקרא דעיכה רדיואקטיבית.
אנטי-חומר (Antimatter): ↑ לכל סוג של חלקיק חומר טעון יש חלקיק משלים שטעון במטען ההפוך. החלקיקים הזהים אך טעונים הפוך האלה הם אנטי-חומר (או אנטי-חלקיקים). לדוגמה, האנטי-חומר המשלים של מיואון (שטעון שלילית) הוא אנטי-מיואון (שטעון חיובית). לנייטרינואים אין מטען, אולם יש להם אנטי-חלקיקים; הבנת האופי של האנטי-נייטרינואים האלה היא אחת התעלומות החשובות ביותר בפיזיקה.
טעמים של נייטרינו (Neutrino Flavors): ↑ נייטרינואים מגיעים בשלושה טעמים, או סוגים, שנקראים על שם סוגים שונים של חלקיקים טעונים שהם מייצרים כשהם מְתַקְשְׁרִים עם חומר רגיל. שלושת החלקיקים היסודיים הטעונים שלילית הם האלקטרון, המיואון וחלקיק הטאו. הם זהים בכל מובן, פרט לכך שהמיואון כבד פי 200 מהאלקטרון, וחלקיק הטאו כבד פי 3,500 מהאלקטרון.
ארגון נוזלי (Liquid Argon): ↑ ארגון הוא גז אינרטי שמרכיב אחוז אחד מהאטמוספרה של כדור הארץ. הוא נעשה נוזלי ב-–186°C ויש לו מראה צלול כמו של מים. הוא טוב לאיתור נייטרינואים מאחר שהיינון נשאר בתוכו זמן רב מספיק כדי להיות מאותר.
יינון (Ionization): ↑ יינון מתרחש כאשר חלקיקים אנרגטיים מעיפים אלקטרונים מאטומים. התוצאה היא יונים טעונים חיובית ואלקטרונים חופשיים.
מאיצים (Accelerators): ↑ מאיצים הם מכונות שבהן החלקיקים טעונים, כמו למשל אלקטרונים ופרוטונים, מואצים למהירויות שמתקרבות למהירות האור. מדענים יכולים ליצור התנגשויות בין אלומות חזקות מאוד של חלקיקים כאלה במטרה להפיק חלקיקים תת-אטומיים אחרים, כולל נייטרינואים אנרגטיים.
המפץ הגדול (The Big Bang): ↑ המפץ הגדול הוא שמו של האירוע שהתחיל את היקום מנקודה בודדת שמלאה במצב חומר חם ודחוס לפני כ-14 מיליארד שנים. כל החלקיקים והחומר שאנו רואים היום, כולל כל הגלקסיות, הכוכבים, כוכבי הלכת ועוד, נוצרו כאשר המצב הדמוי נקודה הזה התפשט והתקרר.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.