שיטה חדשה לזיהוי חלקיקי ניטרינו עשויה לסלול את הדרך לגילוי סוג חדש של החלקיק החמקמק, נוסף על השלושה המוכרים
הניטרינו הוא חלקיק שכיח ביותר: יש בערך מיליארד ניטרינו על כל אלקטרון ביקום. הם נוצרו בכמויות אדירות במפץ הגדול, וכוכבים כמו השמש שלנו מייצרים עוד ועוד מהם כל הזמן.
למרות היותו כה שכיח, הניטרינו הוא חלקיק חמקמק ביותר. הוא איננו מגיב לשדות חשמליים או מגנטיים והוא בעל מסה כה קטנה, כך שעד 1998 המדענים חשבו שהוא חסר מסה כלל. כיום יודעים שמסתו איננה אפס, אך טרם הצליחו לקבוע אותה. עצם היותו של הניטרינו בעל מסה היא עובדה המאתגרת את המודל הסטנדרטי ולכן הבנת הסיבה לעצם קיומה של מסת הניטרינו יכולה להביא להבנה יותר עמוקה של עולם החלקיקים.
הניטרינו מסוגל לעבור דרך הרים, ימים ואטמוספירות, לחצות כוכבי לכת שלמים, מבלי "להתנגש" אף לא בחלקיק אחד של כל החומר שהוא חוצה. הוא עובר "דרך" האטומים, מבלי לגרום לתגובה עם האלקטרונים או הגרעין (רוב האטומים שלנו הם רִיק: באטום מימן, למשל, החומר מרוכז בפחות מטריליונית הנפח שלו) . בכל שניה עוברים טריליוני ניטרינים דרך גופנו, במהירות הקרובה למהירות האור, מבלי להשאיר זכר, כאילו היינו ואקום.
את קיומו של החלקיק חזה הפיזיקאי וולפגנג פאולי ב-1930, כשניסה להסביר את אי שימור האנרגיה והתנע הזוויתי שנצפה בהתפרקויות בטא, שבהן גרעין האטום פולט אלקטרונים. 25 שנים לאחר מכן זיהו הפיזיקאים קלייד קוואן (Cowan) ופרדריק ריינס (Reines) חלקיקי ניטרינו בפעם הראשונה, כשתיעדו התנגשויות חלקיקים שמקורם בכור גרעיני בדרום קרוליינה שבארצות הברית.
התנגשות קוונטית
אבל אם ניטרינו עובד דרך מוצקים בלי להשאיר זכר, איך אפשר לתעד התנגשויות שלו עם חומר? לעיתים מאד נדירות הם "מתנגשים" באטום. למשל כאשר הניטרינו עובר קרוב מספיק לאלקטרון, הוא מעביר לו אנרגיה, אינטראקציה זו בין האלקטרון לניטרינו נקראת התנגשות או פיזור. האנרגיה שקיבל האלקטרון יכולה לגרום לו לשנות את מסלולו סביב הגרעין או אפילו לשחרר אותו כליל מלפיתתו האלקטרומגנטית של הגרעין (יינון). תהליכי ההתנגשות עשויים להשאיר שובל של חלקיקים וקרינה. אם מצפים לפליטה של קרינה מסוימת כתוצאה מהתנגשות שכזו, אפשר לבנות גלאי שיהיה רגיש אליה, ורק אליה. כיום פועלים בעולם כמה גלאים כאלה, הבנויים בצורה ייחודית מאוד ובסביבה מוגנת ככל האפשר מקרינה קוסמית, בהם מערך חיישנים בעומק הקרח באנטארקטיקה, או בריכה של מים מזוקקים בעומק האדמה ביפן. במחקר שפורסם בכתב העת Science, זיהו חוקרים מאוניברסיטת שיקגו צורה חדשה שבה מגיב הניטרינו, כאשר הוא מתנגש בגרעין אטום, בתהליך הידוע בשם "פיזור אלסטי קוהרנטי". החוקרים גרמו לקרן חלקיקי ניטרינו לפגוע בגלאי מיוחד, קטן בהרבה מהאחרים, העשוי מגביש של צזיום ויוד. כאשר ניטרינו התנגש בגרעין של צזיום או של יוד, פלט הגביש 10 פוטונים (חלקיקי אור).
ההתנגשות בין הגרעין לניטרינו אינה התנגשות מכנית, בדומה לכדורי ביליארד למשל, אלא התנגשות בין שני חלקיקים קוונטיים. כאשר הם מתקרבים זה לזה במידה מספקת, זורק הניטרינו "חבילה" קטנה של אנרגיה לעבר הגרעין. הגרעין "תופס" את החבילה, ואת האנרגיה שקיבל הוא פולט בצורה של 10 פוטונים. תגובה זו היא כה נדירה, עד כדי כך שבמשך 15 חודשים שבהם הופצץ הגלאי בטריליוני ניטרינו בכל שניה, נצפו רק 134 התנגשויות כאלה.
כדי לוודא ששום חלקיק אחר לא מתנגש בגלאי, הציבו בין הגלאי למקור הניטרונים, חומה בעובי שבעה מטרים של פלדה ועוד 33 מטרים של בטון, מה שהוריד את הסיכוי לרעש אקראי בגלאי לפחות משליש של מיליונית. התגלית איננה תגלית מפתיעה, מאחר והמודל הסטנדרטי צפה אותה באופן מדויק כבר לפני כ-40 שנה, אבל זו הפעם הראשונה שמדענים הצליחו למדוד אותה, ולהוכיח את התחזית הוותיקה.
שניים מהחוקרים עם גלאי הניטרינו וחלק ממעטפת ההגנה שנועדה לסנן החוצה חלקיקים אחרים | צילום: חואן קולר, אונ' שיקגו
חלקיקים חמקמקים
המערכת שפיתחו החוקרים יכולה לקדם את המדע הרבה יותר מאשר רק להוכיח תחזית בת עשרות שנים. כדי להבין את הפוטנציאל של הניסוי הזה, ניזכר בבעיה שהטרידה מדענים משנות השישים ועד שנת 2001. בסוף שנות השישים, מדדו מדענים את שטף חלקיקי הניטרינו המגיע מהשמש וגילו כי הוא בין שליש למחצית ממה שהמודל הסטנדרטי צופה. הפתרון לתעלומה הגיע רק עם הבנה עמוקה יותר של תכונות הניטרינו. יש שלושה סוגים של ניטרינו, או כפי שהפיזיקאים מכנים אותם "טעמים" – ניטרינו אלקטרון, ניטרינו מיואון וניטרינו טאו.
בשנות השבעים סברו רוב הפיזיקאים שלניטרינו אין מסה ושטעמו נשאר קבוע. בפברואר 1987 הגיע לכדור הארץ אורו של פיצוץ גדול של כוכב, סופרנובה 1987A, והביא עמו תגלית מפתיעה: גלאי ניטרינו שונים זיהו כי לטעמים שונים של ניטרינו לקח זמן שונה להגיע לכדור הארץ. המשמעות, כפי שהתבררה בהמשך הייתה כי הבדלי המהירות נובעים מהבדלי מסה. כלומר – לניטרינו יש מסה, ובמחקרים נוספים התברר כי הניטרינו משנה את טעמו – כלומר הופך לסוג אחר של ניטרינו במהלך מסעו דרך כדור הארץ. ב-2015 הוענק פרס נובל בפיזיקה על הגילוי למנהל גלאי "סופר קיי" ביפן, טקאקי קאג'יטה ולראש גלאי SNO בקנדה, ארתור מקדונלד. הממצאים חייבו לשנות את המודל הסטנדרטי, כדי שיתאים הן לעובדה שלניטרינו יש מסה, הן למעברים בין סוגי הניטרינו.
איך זה קשור לניסוי האחרון באוניברסיטת שיקגו? יש השערות לגבי קיומו של טעם נוסף – ניטרינו רביעי שהוא אף יותר חמקמק משלושת אחיו, והוא אמור להיווצר באינטראקציית ניטרינו- גרעין. מאחר שניסויים קודמים הראו כי הניטרינו יכול לשנות את טעמו תוך כדי מסעו בחומר, אם יראו החוקרים שכמות הפוטונים שהם מגלים תלויה במרחק שעוברת קרן הניטרינו, זו תהיה ראיה תומכת לקיומו של ניטרינו רביעי, והמודל הסטנדרטי ירעד שוב.
נקודה נוספת הראויה לציון היא שעל פי חלק מההשערות החומר האפל מגיב גם הוא בצורה דומה עם גרעין האטום. אם בעתיד ייבנו גלאים רגישים דיים לקלוט את הרמזים שיותירו אחריהם התנגשויות בין חומר אפל לגרעיני אטומים, אזי התנגשויות ניטרינו-גרעין יהיו רעש רקע לאותה מדידה, ובזכות ניסוי זה יהיה אפשר, אולי, להפריד בין השניים.
צפו בסרטון של אוניברסיטת שיקגו על המחקר (באנגלית):
