פרופסור אַרְט מְקְדוֹנַלְד זכה בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2015, במשותף עם פרופסור טָקָאקִי קָגִ'יטָה, עבור תגלית תְּנוּדוֹת חלקיקי הנֵיטְרִינוֹ, המראָה כי לחלקיקים הללו יש מָסָה.

חלקיקי נֵיטְרִינוֹ: חלקיקים יסודיים

ממה מורכב היקום, ואיך הוא התפתח מאז המַּפָּץ הגדול? אלו הן בין השאלות המרתקות ביותר שאנו יכולים לשאול את עצמנו. כדי לענות עליהן מבחינה מדעית, ביכולתנו להשתמש בכמה גישות ובשיטות שונות. אני מגיע מתחום האסטרופיזיקה החלקיקית – תחום מחקר חדש יחסית, שבו חוקרים את החלקיקים הבסיסיים שנעים בחלל, ובמיוחד את החלקיקים המגיעים לכדור הארץ. החוקרים בתחום זה מנסים להבין את טבעם של החלקיקים הבסיסיים המרכיבים את החומר, ולהתחקות אחר הכוחות השולטים במערכות היחסים בין החלקיקים הללו. באופן כללי, אנו מנסים לפתֵּח שיטות ניסוי שמטרתן למצוא את החלקיקים הקטנים ביותר, המכונים חלקיקי יסוד – חלקיקים שלא ניתן לְחַלְּקָם לחלקיקים קטנים יותר. בהסתמך על הממצאים שמתקבלים, אנו מפתחים 'מוֹדֶל תֵּיאוֹרֶטִי'. זהו מערַך של רעיונות ומשוואות המסביר כיצד החומר נוצר מחלקיקי היסוד הללו. אף פעם איננו אומרים שהמודל שלנו הוא המיטבי, כיוון שכל גרסה של המודל מבוססת על רמת ההבנה הנוכחית שלנו, הנסמכת על רגישוּת מכשירי המדידה שיש לנו בזמן נתון, או על יכולת המיקוד שלהם. לאורך השנים, מפתחים מכשירים יותר ויותר רגישים, וכתוצאה מכך אנו לומדים דברים חדשים ומרגשים על אודות אבני הבניין היסודיות של החומר, ולגבי היקום שבו אנו חיים.

המודל הוותיק המאתֵּר את החלקיקים ואת הכוחות הפועלים ביניהם מכונה המוֹדֶל הסְטַנְדַּרְטִי של חלקיקי היסוד [1] (להלן: 'המודל הסטנדרטי'. לחצו כאן כדי ללמוד עוד על אודותיו). לפי מודל זה, כל החומרים, ובכלל זה האָטוֹמים המרכיבים את גוף האדם, האוויר שאנו נושמים והאור שאנו מקבלים מהשמש, מורכבים מחלקיקי יסוד. החלקיקים הללו נוצרו במהלך המפץ הגדול, לפני כ-13.8 מיליארד שנים, ובמהלך האבוֹלוּציה של היקום שהתרחשה אחריו.

עם חלקיקים היסוד נמנים אֶלֶקְטְרוֹנִים, קְוַוארְקִים וחלקיקי נֵיטְרִינוֹ (איור 1A), כמו גם חלקיקים אחרים שאולי שמעתם עליהם דוגמת פוֹטוֹנִים, בּוֹזוֹנִים, גְּלוּאוֹנִים וחלקיקי הִיגְס. במאמר זה נתמקד בחלקיקי נייטרינו. כל חלקיקים היסוד משפיעים זה על זה באמצעות ארבעה כוחות יסוד המכונים 'הכוח החזק'; 'הכוח החלש'; 'הכוח האֶלֶקְטְרוֹמַגְנֵטִי' ו'כוח הכבידה'. קווארקים הם אבני היסוד של הפּרוֹטוֹנִים ושל הנֵיטְרוֹנִים. הפּרוֹטוֹנִים והנֵיטְרוֹנִים מרכיבים את גרעיני האטוֹמים, המוקפים אלקטרונים (איור 1B).

חלקיקי נייטרינו נפלטים מחומרים שבאופן טבעי הם רַדְיוֹאַקְטִיבִיים, ובמהלך תגובות מסוימות שביכולתנו לייצר במכשירים מדעיים המכונים 'מאיצים'. אך צורת ההיווצרות הנפוצה ביותר של חלקיקי נייטרינו היא בתגובות גרעיניות המתרחשות בשמש, בתהליך שנקרא 'הִיתוּך גרעיני'. במסגרת תהליך זה, גרעינים של שני אטוֹמים משתלבים ויוצרים אטום אחד, כבד יותר. בתוך כך הם משחררים כמויות עצומות של אנרגיה ושל חלקיקים, לרבּות חלקיקי נייטרינו. לחלקיקי הנייטרינו הללו נדרשות שתי שניות לצאת מהשמש, וכ-8 דקות להגיע לכדור הארץ. מספרם עצום – כדי לתת לכם מושג, בכל שנייה, 65 מיליארד חלקיקי נייטרינו סולאריים (כלומר מהשמש) חוצים כל סנטימטר רָבוּעַ על פני כדור הארץ!

חלקיקי נייטרינו הם חלקיקי יסוד יוצאי דופן, כיוון שפעולתם ההדדית על חומר מתרחשת רק על ידי שניים מתוך ארבעת כוחות היסוד – כוח הכבידה והכוח החלש (הכוח החלש יכול לאפשֵׁר לנייטרינו לשנות נייטרון לפרוטון ולאלקטרון). כיוון שלחלקיקי הנייטרינו כמעט אין מָסָה, כוח הכבידה שהם מפעילים הוא קטן מאוד וכמעט בלתי ניתן לאיתור. באשר לכוח החלש – על חלקיקי הנייטרינו להיות קרובים מאוד לפרוטונים, נייטרונים או אלקטרונים אחרים כדי שתתרחש אינטראקציה (פעולה הדדית) ביניהם. מסיבות אלו, קשה מאוד לאתֵּר את חלקיקי הנייטרינו [2]. ניתן לומר שהם יכולים לעבור דרך חומר רגיל כמעט כאילו היו 'שקוּפים'. למעשה, הפעולה ההדדית בין חלקיקי נייטרינו לחומר מתרחשת רק כאשר הם פוגעים ישירות בגרעין האטוֹם או באלקטרונים הסובבים אותו. זה קורה לעיתים די נדירות, כיוון שמַרבּית נֶפַח האטוֹם הוא חלל ריק. במקרים אחרים, חלקיקי נייטרינו עוברים דרך החומר ללא הפרעה – ובכלל זה מיליארדים רבים מהם שחולפים דרך גוף האדם מִדֵּי שנייה! היות שחלקיקי נייטרינו נקלטים על ידי הַגַּלָּאִים שלנו בצורה כה חלשה, קשה מאוד לראותם ולמדוד את תכונותיהם. הודות לאינטראקציות הנדירות שלהם עם חומר, יש אנשים המכנים את חלקיקי הנייטרינו 'רוחות הרפאים של היְּקוּם'.

על אף שהם חמקמקים ומאַתגרים למדידה, חלקיקי נייטרינו ממלאים תפקיד מרכזי ביצירת היקום, ומסייעים ליצור מבנים כמו כוכבים וגָלַקְסְיוֹת. הם גם עזרו ליצור חלק מהיסודות הבסיסיים שנוצרו בראשית היקום, במהלך המפץ הגדול.

נהוג לסווג את חלקיקי הנייטרינו לשלושה סוגים, או 'טעמים': נייטרינו אלקטרוני; נייטרינו מְיוּאוֹנִי ונייטרינו טָאוּאוֹנִי. כל 'טעם' מקיים אינטראקציה עם החלקיק היסודי התוֹאֵם – אלקטרון, מְיוּאוֹן וטָאוּ (איור 1C) [3]. איננו יודעים בדיוק מדוע ישנם רק שלושה סוגי חלקיקי נייטרינו, אך אלו הם הסוגים שגילינו עד כה, והם תואמים את תחזיות המודל הסטנדרטי. כפי שתִּראו בהמשך, התגלית החשובה שלנו, שזיכתה אותי ואת פרופסור טקאקי קג'יטה בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2015, קשורה לשינויים ב'טעמים' של חלקיקי הנייטרינו כאשר הם נעים בחלל, מליבַּת השמש אל כדור הארץ.

הדרך שבה מדדנו את חלקיקי הנייטרינו

כאשר התחלנו לחקור את חלקיקי הנייטרינו, הייתה בעיה בלתי פתורה בתחום האסטרופיזיקה החלקיקית, בשם 'בעיית חלקיקי הנייטרינו הסולאריים' [4]. כדי למדוד את חלקיקי הנייטרינו בָּנינו גַּלָּאִים מיוחדים, אך הם הצביעו על כך שמספר חלקיקי הנייטרינו האלקטרוניים המגיעים מהשמש שנמדד, היה נמוך בהרבה מהמספר אשר לו ציפינו. את השׁערתנו לגבי מִספר זה ביססנו על חישובים אמינים מאוד של השְּׂרפה המתרחשת בשמש. הסתירה שבין המספר המצופה של חלקיקי הנייטרינו המגיעים מהשמש לכדור הארץ, למספר שהתקבל במדידות שערכנו, הייתה עשויה להצביע על אחת משתי אפשרויות: או שהיה צורך לעדכן את המודל הסטנדרטי ולשנות את הדרך שבה אנו חושבים על אודות חלקיקי נייטרינו, או שהיה צורך לשנות את הדרך שבה אנו מְחשבים את מספר חלקיקי הנייטרינו המגיעים מהשמש. לשתי האפשרויות היו השלכות משמעותיות על האופן שבו אנו מבינים את היקום, ולכן, רבים מחוקרי האסטרופיזיקה החלקיקית התאגדו למשימה משותפת – תכנון ניסוי שיפתור את בעיית חלקיקי הנייטרינו הסולאריים.

כפי שהזכרתי קודם לכן, לא ניתן למדוד את חלקיקי הנייטרינו על ידי אינטראקציה ישירה עם הגַּלָּאים שלנו. בִּמְקום זאת, בדרך כלל מודדים את חלקיקי הנייטרינו בצורה עקיפה, על ידי שימוש בהשפעות המתרחשות כאשר חלקיקי יסוד משתחררים בתהליכים רדיואקטיביים. לדוגמה, אפשר למדוד נייטרינו אלקטרוני כשמשתמשים בתהליך רדיואקטיבי בשם דעיכת בטא, שבמהלכו נפלט אלקטרון. אז, אנו יכולים למדוד את האנרגיה של האלקטרונים שהשתחררו. במקור, מדענים האמינו כי רק אלקטרונים נפלטים בתהליך הזה, לכן הם ציפו למדוד אנרגיה בודדת עבור כל האלקטרונים שנפלטו. במקום זאת, הם קיבלו מִנְעָד שלם של אנרגיות נמוכות יותר מהאלקטרונים שהשתחררו! כדי להסביר את מנעד האנרגיות שהשתחררו, המדענים הניחו כי ישנוֹ חלקיק נוסף (הנייטרינו האלקטרוני) שנפלט. כך הם מדדו בצורה עקיפה את חלקיקי הנייטרינו האלקטרוני, על ידי בחינת 'האנרגיה החסרה' של האלקטרונים שנפלטו במהלך דעיכת בטא.

הניסוי שלנו, שהתקיים במצפה חלקיקי הנייטרינו בסדברי (SNO, Sudbury Neutrino Observatory), נערך בעומק שני קילומטרים במעבה האדמה בקנדה איור 2A ונספח). השתמשנו בו בגישה דומה כדי למדוד חלקיקי נייטרינו באופן עקיף, דרך השפעתָם על סוג מסוים של מים, המכונים מים כבדים. כפי שאתם יודעים, מים רגילים (H₂O) מורכבים מאטום אחד של חמצן (O) ומשני אטומים של מימן (H). בגרעין המימן יש פרוטון אחד. לעומת זאת המים הכבדים (D₂O) מכילים אטום אחד של חמצן, אך שני אטומים של דֶּאוּטֶרְיוּם (D). נוסחתם הכימית של מים כבדים נכתבת גם כך: ²H₂O. בגרעין הדֶּאוּטֶרְיוּם יש פרוטון אחד ונייטרון אחד (במילים אחרות, זהו אטום מימן עם נייטרון נוסף) המוסיף 10% למשקל המים, אך לא משנה כל כך את תכונותיהם הכימיות. המים הכבדים נוצרים באופן טבעי – אחת מתוך 6,400 מולקולות של מים היא מולקולת D₂O.

בניסוי שערכנו ב-SNO, מילאנו מְכָל גדול במים כבדים טהורים, ומדדנו את השפעות ההתנגשויות בין חלקיקי הנייטרינו שהגיעו מהשמש, למים הכבדים. למעשה, מדדנו שתי תגובות המתרחשות כאשר חלקיקי נייטרינו מתנגשים עם מים כבדים. בתגובה הראשונה, חלקיק נייטרינו אלקטרוני מקיים אינטראקציה עם אטום הדֶּאוּטֶרְיוּם של המים הכבדים. אינטראקציה זו משנה את הנייטרון בגרעין האטום לפרוטון, ולאלקטרון מהיר-תנועה שמייצר אור איור 2B, תגובה 1). מדדנו את האור שהאלקטרון הזה מייצר. בתגובה השנייה, חלקיקי נייטרינו מכל שלושת ה'טעמים' (אלקטרוניים, מיואוניים וטאואוניים) מקיימים אינטראקציה עם אטום הדאוטריום. באינטראקציה זו הגרעין של אטום הדאוטריום מתחלק לפרוטון ולנייטרון הנע בחופשיות. את הנייטרון החופשי, הנע דרך המים הכבדים, זיהנו בדרכים שונות בשלושת שלבי הפרויקט. בשלב הראשון, הנייטרון נלכד על ידי אטום אחר של דאוטריום, ומייצר אור בעל תכונות שונות מאלה של האור הנוצר בתגובה 1 איור 2B, תגובה 2).

נסכם עד כה – קיבלנו שתי תגובות של חלקיקי נייטרינו עם מים כבדים. תגובות אלה יצרו אור. הצלחנו למדוד אותו באמצעות גלאֵי האור שלנו, הנקראים צינורות פוֹטוֹאֶלֵקְטְרִיים. מכך נובע כי יכולנו למדוד באופן עקיף את נוכחותם של חלקיקי הנייטרינו.

השקענו מאמץ רב כדי לוודא שמדדנו רק את ההשפעות של חלקיקי הנייטרינו, ולא של אף מקור קרינה אחר. כיוון שנאלצנו להגן על הגלאים שלנו מפני הרדיואקטיביוּת המגיעה מהסביבה החיצונית, היה עלינו למקֵּם את הגלאים בעומק של כ-2 קילומטרים מתחת לפני האדמה, בלב הסלע (איור 2A). רצינו גם לוודא שאיננו מודדים את הרדיואקטיביות המגיעה מהסלע עצמו. לצורך כך היה עלֵינו להגן באופן מיוחד על אזור המים הכבדים שלנו מפני אוּרַנְיוּם ותוֹרְיוּם – שני יסודות רדיואקטיביים המצויים בסלעים. כדי לעשות זאת, הקפנו את מְכַל המים הכבדים שלנו במים אולטרה-נקיים. אלו מים הנקיים מיסודות רדיואקטיביים פי מיליארד בהשוואה למֵי ברז. מים אלה לכדו את הרדיואקטיביות מהסלע. כמו כן, בָּנינו את הגלאי מחומרים שבחרנו בקפידה, המתאפיינים ברדיואקטיביות נמוכה. יצרנו אוויר אולטרה-נקי, והעובדים שלנו עברו תהליך של ניקיון, שכָּלל ביצוע מקלחות ולבישת ביגוד נטול מוֹךְ (מצבוֹר סיבי בד הנושרים מהבגד).

כדי למדוד את האור שנפלט כתוצאה מהאינטראקציה בין חלקיקי הנייטרינו למים הכבדים, הִתְקַנּוּ צינורות פוטואלקטריים רבים סביב מְכל המים הכבדים. היה מאתגר מאוד ליצור את המערך הניסיוני הזה – הוא כלל גם אתגר הנדסי משמעותי, וגם ניסוי פיזיקלי מורכב (כדי ללמוד עוד על אודות ההיבט ההנדסי של הפרויקט, רְאו בנספח).

איפה חלקיקי הנייטרינו החסרים?

כפי שציינתי קודם, האתגר שעמד בפנינו היה לפתור את בעיית חלקיקי הנייטרינו הסולאריים, שלפיה מספר חלקיקי הנייטרינו האלקטרוניים הנמדדים כשהם מגיעים לכדור הארץ היה קטן בערך פי שלושה מהמספר הצפוי. הנחנו כי ייתכן שהניסוי או התיאוריה (או שניהם) אינם נכונים, או שאולי חלקיקי הנייטרינו האלקטרוניים מהשמש שינו את 'טעמיהם' ולא זוהו בניסויים שמטרתם הייתה לאתֵּר רק, או בעיקר, חלקיקי נייטרינו אלקטרוניים.

בניסוי שלנו, רצינו לבדוק אם שינוי ה'טעמים' התרחש לפני שחלקיקי הנייטרינו הגיעו לכדור הארץ. ידענו כי בליבת השמש נוצרים רק חלקיקי נייטרינו אלקטרוניים (מיואונים וטאואונים כבדים יותר מאלקטרונים, ולכן נדרשת יותר אנרגיה מזו שקיימת בשמש כדי לייצר אותם ואת חלקיקי הנייטרינו המקושרים אליהם). המשמעות היא שאם חלק מחלקיקי הנייטרינו המגיעים מהשמש אינם חלקיקי נייטרינו אלקטרוניים, הם ודאי שינו את סוגיהם במסע מליבת השמש אל כדור הארץ. ככלל, חלקיקי נייטרינו משנים את 'טעמיהם' באופן מחזוֹרי, במסגרת תופעה קוונטית בשם 'תנודת חלקיקי נייטרינו' (תוכלו לקרוא על כך עוד כאן). כיוונּו את הגלאים שלנו לטווח מסוים של אנרגיה, וכך הצלחנו לזהות את ההשפעות של חלקיקי נייטרינו שמקורם בשמש, ולא במקורות אחרים (כמו קרינה קוֹסְמִית שפולטת חלקיקי נייטרינו באנרגיות גבוהות יותר). באנרגיות שחקרנו, השמש היא זו שמייצרת את רוב חלקיקי הנייטרינו שמגיעים לכדור הארץ.

באחת המדידות שערכנו בגלאי שלנו, הבחנו באינטראקציה של חלקיקי נייטרינו אלקטרוניים עם אטומים של דאוטריום, שהובילה לפליטה של אלקטרון חופשי מהיר-תנועה, כפי שתיארנו קודם לכן. במדידה נפרדת, צפינו באינטראקציות של חלקיקי נייטרינו משלושת הסוגים עם אטומי הדאוטריום, שהובילו לפליטה של נייטרון חופשי. במילים אחרות, המדידה הראשונה הצביעה על כמות חלקיקי הנייטרינו האלקטרוניים המגיעים מהשמש, בעוד המדידה השנייה הצביעה על המספר הכולל של כל חלקיקי הנייטרינו המגיעים מהשמש. כשהשווינו את התוצאות, גילינו כי רק שליש מהכמות הכוללת של חלקיקי נייטרינו שמקורם בשמש הם חלקיקי נייטרינו אלקטרוניים. כלומר שני שלישים מחלקיקי הנייטרינו שינו את 'טעמיהם' מחלקיקי נייטרינו אלקטרוניים, לחלקיקי נייטרינו מיואוניים או טאואוניים (איור 3) [2, 5]. הניסוי שלנו הראה כי נייטרינו אלקטרוני יכול לשנות את סוגו כשהוא נע. אם כן, זה הפתרון לבעיית חלקיקי הנייטרינו הסולאריים!

אחת ההנחות המקוריות במסגרת המודל הסטנדרטי הייתה כי לחלקיקי נייטרינו אין מסה, וכי הם נעים במהירות האור. כאשר מביאים בחשבון שיקולים הנובעים מתורת היחסוּת של איינשטיין, התגלית של תנודות חלקיקי הנייטרינו רמזה על כך שלחלקיקי נייטרינו יש מסה. במאמר זה לא אסביר בפירוט מדוע העובדה שלפיה החלקיקים הללו משנים את 'טעמיהם' במסעם בחלל, מלמדת על כך שיש להם מסה. אולם אציין כי באופן כללי, תורת היחסות של איינשטיין קובעת כי השינוי המחזורי הזה ב'טעם' מצביע על כך שמבחינת חלקיקי הנייטרינו, הזמן חולף. אם חלקיקי הנייטרינו חווים זמן, המשמעות היא שהם נעים לאט יותר ממהירות האור, ולכן יש להם מסה. הניסוי שלנו, כמו גם מדידות מניסוי הסוּפֶּר-קַמְיוֹקָנְדֶה שנערך ביפן, שאיתו חָלקנו את פרס נובל, סיפקו את הרְאָיות הראשונות לכך שהפיזיקה חורגת מעבר למודל הסטנדרטי. הרחבַת המודל הסטנדרטי תספק לנו הבנה מלאה יותר של היקום שלנו, ברמה בסיסית ביותר. אנשים רבים עבדו במשך תקופה ארוכה כדי להגיע להישג הגדול הזה. אני אסיר תודה לכל המעורבים בפרויקט חשוב זה, ומרגיש בר מזל על חלקי בו. אומנם זכיתי בפרס נובל, אך אני רואה את עצמי כנציג של כל עמיתיי המוכשרים והמסורים, שתרמו להצלחַת הפרויקט.

המלצות למוחות צעירים

גדלתי בעיר קטנה מאוד בקנדה שהתמחתה בייצור פלדה. תושבי המקום הביעו כבוד גדול לערך החינוך, אף אף אחד לא ציפה כי מי מהם יזכה בפרס נובל. המסר שאני מבקש להעביר לכם הוא שאם תעבדו מספיק קשה, ותמצאו עמיתים מצוינים לעבודה משותפת, תהיה בידי כל אחת ואחד מכם האפשרות להפוך את החיים למשמעותיים מאוד, ואולי אפילו לזכות בפרס כמו פרס נובל.

כדי לבחור קריירה מתאימה, אני מציע לכם לחשוב על כמה דברים שאתם שמחים לעשות עם ההתעוררות בבוקר, ולנסותם. כך תראו במה אתם טובים! זה מה שאני עשיתי, ואני מאמין שזו דרך מצוינת לבחירת קריירה. לאחר שבחרתם משהו, הַתמידו בנתיב הזה, וטַפחו מערכות יחסים חיוביות וחבריוֹת עם האנשים שסביבכם – יש להם תפקיד מרכזי בהצלחתכם.

חשוב מאוד גם להישאר סקרנים לאורך החיים, כיוון שהעולם, והמדע בפרט, ממשיכים להשתנות במהירות. אולי לא תאמינו, אבל כשלמדתי באוניברסיטה בשנת 1964, האוניברסיטה קיבלה את המחשב הראשון שלה. הוא היה כה גדול וכבד, שהיה צריך להרים אותו עם מנוף, ולהוריד אותו אל תוך בניין הפיזיקה דרך הגג! כיום, לרבים מכם ודאי יש מַחשבים ניידים, או אפילו טלפונים ניידים שהם חזקים הרבה יותר, וקטנים משמעותית מהמחשבים המוקדמים הללו (איור 4). זו אחת הדוגמאות לשינויים המדעיים הגדולים שהתרחשו במהלך הקריירה שלי, ואני מעריך שהקצב המסחרר הזה יישמר. מסיבה זו, הַמשיכו להיות סקרנים, ללמוד דברים חדשים ולהסתגל לפיתוחים חדשים. יְתרה מזו זִכרו שאתם, הצעירים, עולים על כולם בעבודה עם טכנולוגיות חדשות ובפיתוחן, לכן אתם יכולים לתרום המון! אל תהססו ללמוד כמה שיותר על אודות הטכנולוגיות הכי חדשניות, ונסו להעביר את היֶּדע הזה הלאה וללמד אחרים – אפילו את עמיתיכם המבוגרים יותר.

חומרים לקריאה נוספת

Ain't no stopping them now with Art McDonald (Nature video).

מילון מונחים

חלקיקי יסוד (Fundamental particles): ↑ החלקיקים הקטנים ביותר שמרכיבים את כל החלקיקים האחרים.

המוֹדֶל הסְטַנְדַּרְטִי של החלקיקים היסודיים (Standard model of fundamental particles): ↑ מודל של חלקיקים היסוד והאינטראקציות ביניהם באמצעות כוחות הטבע.

חלקיקי נֵיטְרִינו (Neutrinos): ↑ חלקיקי יסוד המקיימים אינטראקציה באמצעות כוח הכבידה והכוח החלש.

רַדְיוֹאַקְטִיבִיוּת (Radioactivity): ↑ פליטה ספונטנית של חלקיקי אנרגיה הנובעת מהתפרקות גרעין האטום.

'טעמים' (של חלקיקי נייטרינו) (Neutrino flavor): ↑ מאפיין של חלקיקי נייטרינו המגדיר את סוגיהם. ישנם שלושה טעמים מובחנים: נייטרינו אלקטרוני, נייטרינו מְיוּאוֹנִי, ונייטרינו טָאוּאוֹני.

מים כבדים (Heavy Water): ↑ מים המכילים אטומים של דֶּאוּטֶרְיוּם בִּמקום אטומים של מימן. בגרעין של אטום הדאוטריום יש פרוטון אחד ונייטרון אחד, בעוד שבגרעין אטום המימן יש רק פרוטון אחד. מבחינה כימית, הדאוטוריום מתנהג כמו מימן.

צינורות פוֹטוֹאֶלֵקְטְרִיים (Phototubes): ↑ חיישני אור שעוזרים לנו למדוד את האור שנוצר כתוצאה מהאינטראקציה בין חלקיקי נייטרינו למים הכבדים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה את הבסיס למאמר זה, ועל כתיבה משותפת של המאמר. תודה לאלכס ברנשטיין עבור (איורים 4-1).

---

מקורות

[1] ↑ Cottingham, W. N., and Greenwood, D. A. 2007. An Introduction to the Standard Model of Particle Physics. New York, NY: Cambridge University Press.

[2] ↑ McDonald, A. B. 2016. Nobel lecture: the Sudbury Neutrino Observatory: observation of flavor change for solar neutrinos. Rev. Modern Phys. 88:030502. doi: 10.1103/RevModPhys.88.030502

[3] ↑ Acker, A., and Pakvasa, S. 1997. Three neutrino flavors are enough. Phys. Lett. B 397:209–15. doi: 10.1016/S0370-2693(97)00174-3

[4] ↑ Haxton, W. C. 1995. The solar neutrino problem. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 33:459–503.

[5] ↑ Ahmad, Q. R., Allen, R. C., Andersen, T. C., Anglin, J. D., Barton, J. C., Beier, E. W., et al. 2002. Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral-current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory. Phys. Rev. Lett. 89:011301. doi: 10.1103/PhysRevLett.89.011301

נספח

סקירה כללית: הניסוי במִּצפה חלקיקי הנייטרינו בסדברי

הניסוי שנערך ב-SNO למדידת חלקיקי הנייטרינו ו'טעמיהם', היה מאמץ משותף עצום. בכל רגע נתון, יותר מ-150 אנשים עסקו בניסוי, כאשר כל אחד מהם היה אחראי על חלק מסוים. ראשית, היה עלֵינו לחפור חלל ענק, בעומק של 2 קילומטרים מתחת לפני האדמה במכרֶה נטוש בסדברי, קנדה. צוות הבנייה נדרש לקדוח חורים ברצפת המערה, ולמקֵּם שָׁם חומרי נפץ. אז, היה על חברי הצוות להוציא את כל הציוד שלהם מהחלל, לפוצץ את חומרי הנפץ כדי להעמיק את החלל ולהרחיבו, וּלְפנוֹת את החצץ שנוצר מהפיצוץ. נדרשו כשנתיים וחצי ושמונה מַחזורים של פיצוצים כדי ליצור את החלל הזה, שגובהו 34 מטרים (גובה של גורד שחקים בן עשר קומות), ורוחבו 22 מטרים.

אחרי שיצרנו את החלל, היה עלֵינו לִבנות את כדור האקריליק שיועד להכיל את המים הכבדים. בָּנינו אותו מ-120 חלקים שגודל כל אחד מהם קטן דַּיוֹ כדי שנוכל להוריד אותם במעלית לתוך המכרֶה.

אז הצטרכנו לִבנות כדור גֵּאוֹדֶזִי (קשור לגיאומטריה של מִשטחים שאינם מישוריים) סביב כדור האקריליק. זאת במטרה למקֵּם בו את חיישני האור שימדדו את השפעות התגובה בין חלקיקי הנייטרינו למים הכבדים. השתמשנו במעליות כדי להתקין עשרת אלפים חיישני אור על הכדור הגיאודזי.

בסופו של דבר, מילאנו את כדור האקריליק באלף טונות של מים כבדים טהורים (D₂O). המים היו כה טהורים, שאירעה פחות מדעיכה רדיואקטיבית ספונטנית אחת ליום לטוֹנה של מים – כלומר מים אלה היו טהורים פי מיליארד ממֵי ברז. אפילו עם כמות כה גדולה של מים כבדים טהורים, הצלחנו למדוד את ההשפעה של נייטרינו בודד בלבד המגיע מהשמש בכל שעה, כיוון שהאינטראקציה של חלקיקי הנייטרינו עם חומר היא נדירה.

כפי שתוכלו להתרשם, פרויקט זה זִמֵּן אתגר הנדסי מורכב לצד ניסוי בפיזיקה יסודית. אנשים רבים שלקחו חלק בפרויקט הפגינו מקצועיוּת ומסירוּת, ושיתפו פעולה כדי להגשים מטרה משותפת בעלַת משמעות, לתחושתם. במקרים רבים נדרשנו לבחור איך לבצע חלק כלשהו בניסוי. כדי לעשות זאת הצגנו זה לזה את הפתרונות החלופיים בצורה מפורטת, עד שהתבהר איזו דרך הקבוצה העדיפה על פני הדרכים האחרות. למרבה המזל, לאחר שקיימנו דיונים מעמיקים, הצלחנו להגיע להסכּמות. העבודה המשותפת והתקשורת הטובה בין העמיתים הניבו הצלחה גדולה, ובעקבותיהן גילינו דבר חדש ומשמעותי על אודות אבני הבניין היסודיות של היקום שלנו.

בצילום ניתן לראות את חלקו התחתון של כדור האקריליק (אדום), המוקף עשרת אלפים חיישני אור ששימשו לזיהוי נוכחוּת חלקיקי הנייטרינו.