אחד הפרויקטים המדעיים הגדולים של המאה ה-20 הוא המודל הסטנדרטי של החלקיקים: מודל פיזיקלי שמתאר את כל החלקיקים הקטנים ביותר שמרכיבים את העולם, את התכונות שלהם ואת הדרך שבה הם משפיעים זה על זה באמצעות כוחות שונים. בעשרות השנים האחרונות המודל הסטנדרטי הוביל לחלק מהתחזיות הפיזיקליות המדויקות ביותר אי פעם.
עם זאת, לא כל החלקיקים במודל הסטנדרטי מובנים לנו באותה המידה. אחד החלקיקים במודל, הניטרינו, הוא חלקיק חמקמק שקשה מאוד לצפות בו, ותכונותיו עדיין לא ברורות לנו לחלוטין. בצמד מאמרים מחודש יולי פורסם כי במאיץ החלקיקים הגדול LHC בסרן שבשוויץ נצפו לראשונה חלקיקי ניטרינו. התגלית הזו מאפשרת ללמוד על החלקיקים הללו, ועשויה להוביל לשינויים במודל הסטנדרטי.
במאיץ החלקיקים הגדול LHC בסרן שבשוויץ נצפו לראשונה חלקיקי ניטרינו. תמונה מהמאיץ | Shutterstock, D-VISIONS
הניטרלי הקטן
את הניטרינו חזה באופן תיאורטי ב-1930 הפיזיקאי האוסטרי וזוכה פרס הנובל בפיזיקה וולפגנג פאולי (Pauli), שניסה להסביר את התהליך הרדיואקטיבי של קרינת בטא. בתהליך מהסוג הזה, ניוטרון שנמצא בגרעין של חומר רדיואקטיבי מתפרק לפרוטון ולאלקטרון. בתהליך ההתפרקות, הפרוטון נשאר בגרעין והאלקטרון נפלט החוצה מהאטום.
אך יש בעיה: חוק שימור התנע קובע שסך התנע במערכת חייב להישמר. התנע הוא גודל פיזיקלי שאותו קובעת המכפלה של המסה והמהירות של כל גוף. אם בתחילת התהליך האלקטרון והפרוטון היו במנוחה, התנע הכולל היה אפס. כאן, לעומת זאת, הפרוטון נותר ללא מהירות בסוף התהליך, אבל האלקטרון החל לנוע ועל כן יש לו תנע. פירוש הדבר הוא שכמות התנע במערכת השתנתה והתהליך הרדיואקטיבי לא מסתדר עם האופן שבו אנחנו מבינים את חוקי הפיזיקה!
כיצד בכל זאת יכולה להתרחש קרינת בטא? פאולי הניח שחייב להתקיים חלקיק נוסף שנפלט בתהליך, חלקיק שינוע בכיוון ההפוך מהאלקטרון. כך התנע הכולל ישוב ויסתכם באפס, והתהליך כולו יציית לחוקי הפיזיקה. בנוסף, הוא הבין שהחלקיק חייב להיות חסר מטען חשמלי, ולכן החלקיק כונה לימים ניטרינו (באיטלקית – הניטרלי הקטן).
וולפגנג פאולי ניסה להסביר את התהליך הרדיואקטיבי של קרינת בטא, והניח שחייב להתקיים חלקיק נוסף, חסר מטען - הניטרינו. פאולי, מימין, לצד עמיתיו ורנר הייזנברג (במרכז) ואנריקו פרמי | American Philosophical Society / Science Photo Library
בעקבות הניטרינו האבוד
בעשרות השנים שלאחר מכן נחזו עוד שלושה חלקיקים שקרויים ניטרינו, "אחים" של הניטרינו המקורי: ניטרינו אלקטרון, שפאולי חזה את קיומו, ניטרינו מיואון וניטרינו טאו. שמותיהם של הניטרינו נגזרים מאחיו התאומים והכבדים יותר של האלקטרון: המיואון והטאו. לאורך השנים חלקיקי הניטרינו נצפו בניסויים. ניטרינו האלקטרון נצפה ראשון בשנות החמישים, וניטרינו הטאו נצפה אחרון בשנת 2000.
חלקיקי הניטרינו חמקמקים מאוד. אין להם מטען חשמלי והם מבצעים אינטראקציה רק באמצעות הכוח הגרעיני החלש, שפועל בין חלקיקים תת-אטומיים וקשור לתהליכי התפרקות רדיואקטיבית. הכוח החלש קיבל את שמו כי הוא חלש ביחס לכוחות היסוד האחרים בטבע, למשל הכוח האלקטרומגנטי. לכן קשה לגלות חלקיקי ניטרינו ולצפות בהם. רק לאחרונה התגלה שחלקיקי הניטרינו אינם חסרי מסה כפי שחשבנו בעבר, אך המסה שלהם קטנה מאוד – קטנה לפחות פי מיליון ממסת האלקטרון. על התגלית הזאת קיבלו טאקאקי קאג'יטה (Kajita) וארתור ב' מקדונלד פרס נובל בפיזיקה בשנת 2015.
מדוע הקהילה הפיזיקלית משקיעה מרץ רב בגילוי חלקיקי ניטרינו? ראשית, כיוון שקשה לגלות אותם, קשה למדוד את התכונות שלהם ויש לגביהן אי ודאות גדולה. שנית, ככל שנדע יותר על חלקיקי הניטרינו, נוכל לדעת יותר על התהליכים הפיזיקליים שהם מעורבים בהם, כגון התפרקויות רדיואקטיביות, פיצוצי סופרנובה ותהליכי היתוך גרעיני בשמש.
הסיבה השלישית התווספה לאחר גילוי העובדה שלניטרינו יש מסה: המודל הסטנדרטי חזה שלחלקיקים אלו לא תהיה מסה, כלומר, יש פער בין תחזיות המודל למציאות. הפער הזה עשוי להעיד על תופעה פיזיקלית שאיננו מכירים, למשל מנגנון אחר שקובע את המסה של החלקיקים או כוח לא מוכר שפועל ביניהם. פיזיקאים תיאורטיים עמלים על שינויים במודל הסטנדרטי כדי להסביר את המסה של הניטרינו, ואולי יוכלו להסביר את הפערים הנוספים במודל.
עד לאחרונה, כל חלקיקי הניטרינו שנצפו נוצרו באופן טבעי והתגלו בגלאי ענק. גלאי הניוטרינו IceCube שבאנטארקטיקה | Icecube / National Science Foundation / Science Photo Library
חלקיקים לצפייה ישירה
קשה לגלות ניטרינו, אבל החלקיקים האלה נפוצים. הם נוצרים בתהליכים גרעיניים רבים, בהתנגשויות בין חלקיקים במאיצי חלקיקים, בהתפרקויות רדיואקטיביות וכחלק מהתהליכים שבשמש. בכל רגע עוברים דרך גופנו מיליארדי חלקיקי ניטרינו, ורובם חולפים דרכנו באין מפריע, בלי לפגוע או ליצור אינטראקציה כלשהי עם החלקיקים שמרכיבים אותנו. עד לאחרונה, כל חלקיקי הניטרינו שנצפו נוצרו באופן טבעי והתגלו בגלאי ענק כמו הסופר-קמיוקנדה (Super-Kamiokande) שביפן. המתקן הזה נמצא קילומטר מתחת לקרקע ומכיל 50 אלף טונות מים. הסיבה לכמות העצומה הזו היא שהניטרינו הוא חלקיק חמקמק ביותר, ויש סיכוי זעום לאינטראקציה איתו,. מים הם מטרה גדולה, כבדה וזולה, ומגבירים את הסיכוי לגלות ניטרינו חולף.
ב-2021 הותקנו במאיץ החלקיקים הגדול בשוויץ שני הגלאים FaserNU ו-SND@LHC. כל גלאי שוקל כטון ובנוי ממאות שכבות של טונגסטן בעובי מילימטר ולוחות אמולסיה. השכבות תוכננו כך שיגדילו את הסיכוי לאינטראקציה עם ניטרינו, וזו תיצור תהליכים פיזיקליים שקל יותר לגלות מאשר את הניטרינו עצמו. כך יתאפשר להבחין באנרגיה ובתנע של הניטרינו. שני הגלאים פועלים בדרך דומה, אך כל אחד מהם רגיש לחלקיקים שנעים במהירות שונה או בכיוונים שונים.
ב-2021 הותקנו במאיץ החלקיקים הגדול בשוויץ שני הגלאים, FaserNU (מימין) ו-SND@LHC | תמונות: LHC, Cern
כעת הודיעו החוקרים שבניתוח הנתונים גילו בגלאים לפחות שישה חלקיקי ניטרינו בוודאות של 16 סטיות תקן. כלומר, יש סיכוי של פחות מאחד למיליארד לכך שהם טעו והתצפית הייתה שגויה. זו הפעם הראשונה שבה נצפים באופן ישיר חלקיקי ניטרינו במאיץ חלקיקים, והפעם הראשונה שבה נצפים חלקיקי ניטרינו שלא נוצרו באופן טבעי.
מעבר לכך, לחלקיקי ניטרינו שנוצרים במאיץ יש בדרך כלל אנרגיה גבוהה הרבה יותר מאשר לאלו שמתגלים בגלאים הקיימים. כך אפשר לחקור את חלקיקי הניטרינו בתנאים שונים, ולצפות בהם מקיימים תהליכים פיזיקליים שלא יכולנו לצפות בהם עד כה. החוקרים מקווים שבשנים הקרובות ימשיכו להתגלות חלקיקי ניטרינו נוספים במאיץ, ואולי אף יאפשרו לאשש או לפסול השערות לגבי שינויים במודל הסטנדרטי שינסו לכלול את מסת הניטרינו.
סרטון של סרן המראה את הגלאים ואת הניסויים שהובילו לתגלית: