ניטרינו שזוהה בשנה שעברה באנטארקטיקה עשוי לתת תשובה חלקית לאחת מהתעלומות הגדולות של המדע
"קרניים קוסמיות" הוא השם שניתן לכל אותם חלקיקים טעונים, כגון פרוטונים וגרעיני אטומים כבדים יותר, שמגיעים מהחלל ופוגעים בכדור הארץ במהירויות גבוהות. התופעה נצפתה כבר לפני קרוב למאה שנה, אך אחד המאפיינים הבסיסיים ביותר שלה, מקור החלקיקים הקוסמיים האנרגטיים במיוחד, נותר תעלומה. ייתכן שניטרינו בודד שהתגלה בשנה שעברה בגלאי באנטארקטיקה יוכל לספק לנו תשובה לשאלה.
כשהם חודרים לאטמוספרה של כדור הארץ, החלקיקים החלליים מתנגשים במולקולות המרכיבות את האוויר, ובהתנגשויות הללו נוצרים חלקיקים נוספים. גם אלה מתנגשים בתורם במולקולות נוספות ויוצרים חלקיקים נוספים, וכן הלאה. בסופו של דבר מגיע לפני הקרקע גשם של חלקיקים, שכולם נוצרו בעקבות ההתנגשות המקורית של החלקיק הקוסמי במולקולת אוויר. גילוי החלקיקים האלו מאפשר לנו ללמוד על החלקיק הקוסמי שהתחיל את שרשרת ההתנגשויות.
גלאים על כדור הארץ יכולים לנתח את תוצרי ההתנגשות ולשחזר מהם מה היה החלקיק הקוסמי שפגע באטמוספרה ומה הייתה מהירותו. הבעייה היא שכיוון התנועה של החלקיקים הקוסמיים בהגיעם לכדור הארץ אינו מספיק כדי לגלות מה היה המקור השמימי שלהם. הסיבה לכך היא שלחלקיקים הקוסמיים יש מטען חשמלי, כך ששדות חשמליים ומגנטיים שהם חוצים במהלך תנועתם בחלל משנים את כיוון תנועתם. לכן יש להניח שהם נעו לכדור הארץ בדרכים מפותלות ומסובכות שאין ביכולתנו לעקוב אחריהן.
לכן מדענים שמחפשים את מקור הקרינה הקוסמית מנסים לאתר חלקיק אחד ספציפי, שאמור גם הוא להיות חלק מתהליך פליטת הקרינה הקוסמית – הניטרינו. ייחודו: הוא כמעט חסר מסה וחסר מטען חשמלי.
לרוע המזל, הניטרינו הוא חלקיק חמקמק במיוחד, מאחר שהוא אינו יוצר אינטראקציה כמעט עם אף חלקיק אחר. מצד שני, זה גם היתרון שלו. העובדה שאין לו מטען חשמלי משאירה אותו אדיש לשדות החשמליים והמגנטיים שבדרכו, ולכן הוא באמת נע כמעט בקו ישר מהמקור שפלט אותו ועד למקום שבו התגלה.
את הניטרינו קשה מאוד לגלות. עד כמה קשה? די אם נגיד שבכל רגע טריליון חלקיקים כאלה עוברים דרך גופנו בלי להשאיר שום עקבות. החלקיקים כל כך אדישים לסביבתם, שהם יכולים לחצות את כדור הארץ כולו ללא הפרעה. לכן גם גלאי חלקיקים מתקשים לאתר אותם. עד כה רק שני עצמים שמיימיים זוהו כמקורות של ניטרינים – השמש שלנו והסופרנובה 1987A. זיהוי מקורות נוספים שלהם עשוי לקדם את החיפוש אחר מקורות הקרינה הקוסמית האנרגטית.
כדי לגלות את הניטרינו, המדענים נשענים על העובדה שלעיתים רחוקות מאוד הוא כן מקיים אינטראקציה עם חומר אחר. כשחלקיקי ניטרינו עוברים בתוך חומר, למשל בסלע או במים, קיים סיכוי זעום שאחד מהם יפגע בכל זאת באלקטרון או בגרעין כלשהו בחומר, ייבלע וייצור חלקיק אחר. את החלקיק החדש שנוצר מההתנגשות כבר אפשר לגלות בעזרת גלאים רגילים.
זהו העיקרון העומד מאחורי גלאי הניטרינים – הגלאים מכילים תמיד המון חומר, לדוגמה מכל מים ענק, בתקווה לגלות תוצר התנגשות נדירה של ניטרינו עם אחת מהמולקולות המרכיבות את החומר שבגלאי. לפני שמונה שנים אכן הוקם ליד הקוטב הדרומי גלאי כזה, בשם IceCube (קוביית קרח), במטרה ללמוד על החלל על ידי איתור מקורות הניטרינו. הגלאי בנוי בתוך קילומטר מעוקב של קרח שהושחלו בו גלאים אופטיים. אם ניטרינו מהחלל עובר דרך הקרח ומתנגש באחת מהמולקולות שבו, הוא אמור ליצור חלקיק שינוע בעצמו בשכבת הקרח הצפופה. החלקיק הזה יפלוט בתנועתו קרינה שתתגלה בגלאים האופטיים. כך המדענים יוכלו לשחזר את סוג החלקיק שנוצר ואת כיוון תנועתו, ולהסיק מהם את האנרגיה של הניטרינו שפגע בקרח ואת כיוונו.
הגלאי בנוי בתוך קילומטר מעוקב של קרח שהושחלו בו גלאים אופטיים. מעבדת IceCube בקוטב הדרומי | Icecube/NSF
החלקיק האחד שהגיע מרחוק
מאז תחילת עבודתו ב-2011 איתר הגלאי מאות ניטרינים בממוצע ביום, שרובם נוצרו באטמוספרה של כדור הארץ עצמו. אולם בספטמבר 2017 זיהה הגלאי מיואון, חלקיק שנוצר כתוצאה מהתנגשות של ניטרינו בקרח, שרמז על משהו שונה. ניתוח המידע מהגלאים הראה שהניטרינו שאחראי לחלקיק היה בעל אנרגיה גבוהה במיוחד, שמרמזת כי ייתכן שמקורו בגלקסיה אחרת.
מיד אחרי שהגלאים חישבו את מסלול ההתנגשות הועברה הודעה אוטומטית על כך לאסטרונומים ברחבי העולם. אלה הפנו את הטלסקופים לכיוון שממנו הגיע הניטרינו ומצאו שם כמה גורמים שמימיים, ביניהם בלאזר המכונה TXS 0506+056.
בלאזר (Blazar) הוא עצם שמיימי שנוצר במרכזן של גלקסיות, שם על פי התיאוריה קיים חור שחור מסיבי במיוחד. בחלק מהגלקסיות נוצרת סביב החור השחור דיסקה של אבק וגז שחגה סביבו. בהשפעת החור השחור הדיסקה מאיצה את תנועתה ומתחממת ונוצרים שני סילוני גז שמשוגרים במהירות אדירה בניצב לגלקסיה כולה. קיימות גלקסיות רבות כאלה בחלל, והסילונים שלהן פונים לכיוונים שונים. כאשר הסילון מכוון ממש לכדור הארץ, העצם האנרגטי שבלב הגלקסיה מכונה בלאזר.
לוויין שמנטר את פעילות הבלאזרים הללו דרך שגרה גילה כי בזמן שבו הניטרינו התגלה הבלאזר היה בהיר יותר מאי פעם בעבר, דבר שמעיד על פעילות מוגברת של זרמי הסילון היוצאים ממנו ועל התגברות שטף החלקיקים שהוא שיגר לחלל. חישובים הסתברותיים הראו שהסיכוי שהניטרינו אינו קשור להתבהרות הבלאזר קטן מאוד – הסבירות לכך שמדובר בצירוף מקרים היא כ-0.13 אחוז בלבד. עם זאת, הסיכוי עדיין גדול מדי בשביל לקבוע שמקור הנייטרינו הוא בבלזאר, בוודאות שמספיקה על מנת לדווח על תגלית מדעית. כך שדרושות עוד תצפיות וניתוחים כדי להכריז שאכן נמצא פתרון לאחת מהבעיות הוותיקות של התחום.
