תעלומת היקום הסמוי

בקיצור

• המדענים יודעים שביקום חייב להיות יותר חומר ממה שגלוי לעין. החיפושים אחר החומר האפל הזה התמקדו בחלקיק בלתי נראה אחד ויחיד, אבל אף שמחפשים אותו זה עשרות שנים בניסויים, עדיין לא הצליחו למצוא אותו.
• אפשרויות אקזוטיות לגבי החומר האפל מתחילות להיראות יותר ויותר מתקבלות על הדעת. במקום חלקיק אחד בלבד, ייתכן שהחומר האפל מכיל עולם שלם של חלקיקים וכוחות שכמעט אינם מגיבים עם חומר רגיל.
• חומר אפל מורכב יוכל ליצור אטומים ומולקולות אפלים ואפילו להתקבץ וליצור דסקות גלקטיות סמויות החופפות לזרועות הספירליות של שביל החלב וגלקסיות אחרות. ניסויים שנועדו לחפש ראיות למגזר אפל כזה מצויים בעיצומם.

השכנה השמימית היפהפייה שלנו, גלקסיית אנדרומדה הסבה על צירה כשבשבת, מעמידה לפנינו תעלומה. אי אפשר להסביר את מהירות הסיבוב המסחררת שלה באמצעות הפעלת חוקי הפיזיקה הידועים על החומר הנראה של הדִסקה. ההיגיון מחייב שהכבידה שנוצרת בשל המסה הגלויה שיש בגלקסיה תגרום לכוכבים שבשוליה לנוע לאט יותר מן המהירות שבה הם נעים בפועל. אם לא היה שם חומר נוסף, פרט לחומר הנראה, אזי אנדרומדה, וכמעט כל הגלקסיות המסתחררות במהירות גבוהה כמוה, פשוט לא היו קיימות.

קוסמולוגים סבורים שסוג כלשהו של חומר בלתי נראה, חומר אפל, מקיף וממלא את אנדרומדה וגלקסיות אחרות ומוסיף את כוח הכבידה הדרוש כדי שיוכלו להמשיך להסתחרר בקצב שנראה בתצפיות. החומר האפל, שככל הנראה מרכיב 25% ממסת היקום, יסביר גם היבטים אחרים של הקוסמוס, בהם המהירות העצומה של תנועת גלקסיות בתוך צבירי גלקסיות, התפלגות החומר המתקבלת כששני צבירים מתנגשים והתצפיות של עידוש כבידתי: כיפוף האור על ידי הכבידה, בגלקסיות רחוקות.

התיאוריות הפשוטות ביותר בנוגע לחומר אפל מתבססות על ההנחה שחלקיק מסוג אחד ויחיד שטרם התגלה הוא שתורם את המסה הבלתי נראית. אבל חרף עשרות שנות חיפושים של ראיה ישירה לחלקיק החומר האפל, איש לא הצליח להוכיח את קיומו. יתרה מזאת, התיאוריה הפשוטה הזאת אינה מתיישבת עם כמה תצפיות אסטרונומיות. שילוב של אי ההתאמות האלה וחוסר ההצלחה לזהות את החומר החמקמק הזה גרם לכמה מדענים לפקפק בתיאוריות המסורתיות ולדמיין צורה מורכבת יותר של חומר אפל. ייתכן שהחומר האפל מורכב ממערך רחב של חלקיקים אפלים מסוגים שונים. הרי החומר הרגיל מופיע בצורות רבות, ואולי החומר האפל מפגין מורכבות דומה.

בשנים האחרונות החלו יותר ויותר מדענים לחשוד שקיימים כמה סוגים של חומר אפל, ואפילו העלו אפשרות מרתקת עוד יותר, שכוחות שעד כה לא חשדו בקיומם פועלים בחוזקה על חומר אפל, אבל כמעט לא (או בכלל לא) על חומר רגיל. תצפיות שהתבצעו לאחרונה על גלקסיות מתנגשות עשויות לספק תמיכה ראשונית להשערה הזאת. כוחות כאלה יוכלו לעזור להסביר כמה מן הסתירות שבין המודל הבסיסי של החומר האפל ובין התצפיות. ואם החומר האפל אכן מורכב, אזי היקום מפורט ומעניין יותר ממה שהקוסמולוגים מדמיינים בדרך כלל.

חומר סמוי

אף שעדיין איננו יודעים ממה מורכב החומר האפל, אנחנו יודעים כמה דברים על תכונותיו בזכות תצפיות על אופן השפעתו על חומר רגיל ובזכות הדמיות מחשב של ההשפעות הכבידתיות שלו. לדוגמה, החומר האפל נע הרבה יותר לאט ממהירות האור, שאם לא כן ההבדלים הקלים בצפיפות ששררו ביקום המוקדם לא היו מביאים לידי יצירת המבנים הגלקטיים שאנו רואים היום בתצפיות. הוא אינו בולע קרינה אלקטרומגנטית או פולט אותה, ולכן הוא ניטרלי מבחינה חשמלית. החלקיקים המרכיבים את החומר האפל הם ככל הנראה בעלי מסה, שהרי לולא כן הם היו חייבים לנוע במהירות קרובה למהירות האור, אפשרות שאינה עולה בקנה אחד עם הנתונים על אודות היקום המוקדם. הם אינם יכולים להיות מושפעים מן הכוח החזק, השומר על גרעיני האטומים בשלמותם, שאם לא כן הם היו ניכרים דרך אינטראקציות שהחומר האפל היה אמור לקיים עם חלקיקים טעונים באנרגיות גבוהות, המכונים קרניים קוסמיות. עד לאחרונה סברו מדענים שייתכן שחומר אפל מגיב באמצעות הכוח החלש (האחראי להתפרקויות רדיואקטיביות), אבל תצפיות חדשות שמטו את הקרקע מתחת לרעיון הזה. (אמנם עדיין יש אפשרות שחומר אפל יכול להגיב באמצעות הכוח החלש, אבל אינטראקציות כאלה יעלו בקנה אחד עם התצפיות רק אם קיימים חלקיקים שטרם התגלו, מלבד החומר האפל.)

אנחנו גם יודעים שהחומר האפל חייב להיות יציב לאורך זמן בקנה מידה קוסמי. הסיבה פשוטה: אין שום מנגנון מתקבל על הדעת לייצור שוטף של חומר אפל. לפיכך החומר האפל הוא קדמון בהכרח, ומשמעות הדבר היא שהוא נוצר במפץ הגדול. האמירה שחלקיק הוא יציב נושאת אמת עמוקה: היציבות שלו מלמדת אותנו שהוא אינו יכול להשתנות, כלומר, הוא נושא תכונה "נשמרת" שמונעת מן החלקיק להתפרק, שהרי התפרקות כזאת תשנה את הגודל הנשמר. אפשר להדגים את משמעות המונח הזה אם נחשוב על המטען החשמלי המוכר, המבטיח שהאלקטרון יציב. אחת האמיתות הראשונות של הפיזיקה היא שחלקיקים מתפרקים לחלקיקים קלים יותר, אלא אם כן משהו מונע את ההתפרקות הזאת. לאלקטרון יש מטען חשמלי, והחלקיקים היציבים היחידים שמוכרים לנו, שהם קלים ממנו, הם ניטרליים מבחינה חשמלית: הפוטון וחלקיקי הניטרינו. משיקולי אנרגיה, האלקטרון יכול להתפרק לגופים האלה, אבל שימור המטען מונע התפרקויות כאלה, ולכן האלקטרון נשאר אלקטרון.

מרבית התיאוריות של החומר האפל מתבססות על ההנחה שיש לחלקיקים אפלים גודל נשמר הקרוי, מסיבות היסטוריות, זוּגיוּת (parity). לחלקיק חומר אפל יש זוגיות של -1, ולכל החלקיקים הידועים האחרים יש זוגיות של +1. הזוגיות הזאת אוסרת אפוא על חלקיק חומר אפל להתפרק לחלקיק חומר רגיל מכיוון שאם הישות האפלה נעלמת ומופיעים חלקיקים רגילים הזוגיות אינה נשמרת.

על פי התיאוריה הפשוטה ביותר שעונה על כל התנאים שהתוו הפיזיקאים, חלקיק יחיד אחראי לחומר האפל, והחלקיק הזה מכונה וימפ (WIMP, מילולית: "חלשלוש"), ראשי תיבות של "חלקיק בעל מסה שמנהל אינטראקציות חלשות" (Weakly Interacting Massive Particle). המונח "חלש" משמש כאן בהוראה הרגילה שלו, ואינו נוגע בהכרח לכוח הגרעיני החלש. וימפים הם מועמד מתקבל על הדעת מסיבות תיאורטיות רבות, אבל מתברר שהרבה יותר קשה למצוא אותם ממה שציפו הפיזיקאים. מאז שנות ה-90 של המאה ה-20 מדענים מריצים ניסויים מניסויים שונים שמטרתם לזהות במישרין וימפים על ידי האינטראקציות הנדירות מאוד שלהם עם חומר רגיל.

כדי שהגלאים יגיעו לרגישות הנדרשת צריך לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות מאוד ולטמון אותם עמוק באדמה כדי להגן עליהם מפני הקרניים הקוסמיות המצויות בכל מקום ויכולות לחקות חתימה של חומר אפל. ואולם, על אף ניסויים בעוצמה גדולה יותר ויותר, מעולם לא הופיעו עקבות וימפים חד-משמעיים. נוסף על כך, אף שמודל הווימפים יכול להסביר היבטים רבים של היקום הנצפה שלנו, הוא עדיין אינו מצליח להסביר הכול. לדוגמה, תיאוריות הווימפים חוזות שמספר גלקסיות הלוויין הנעות במסלול סביב שביל החלב יהיה גדול הרבה יותר ממה שככל הנראה מתערבל סביבו, ושהחומר האפל במרכזי הגלקסיות יהיה דחוס עוד יותר ממה שנראה בעקבות התצפיות על קצבי הסיבוב של גלקסיות. אבל המצב משתנה במהירות: פרויקט "סקר האנרגיה האפלה" (Dark Energy Survey) זיהה גלקסיות לוויין נוספות, תגלית המעלה את האפשרות שהבעיה הקשורה לגלקסיות הננסיות של שביל החלב היא שרבות מהן פשוט לא התגלו עדיין. עם זאת, בשורה התחתונה הליקויים האלה בתיאוריית הווימפים משאירים דלת פתוחה למודלים עוד יותר בלתי רגילים של חומר אפל.

חומר אפל מורכב

במקום חלקיק אחד ויחיד המרכיב את כל החומר האפל אפשר לדמיין שיש כמה סוגים של חלקיקי חומר אפל וגם מגוון כוחות הפועלים רק על חומר אפל. אחד הרעיונות שלכאורה מתיישב עם כל התצפיות וההדמיות הוא שחלקיקי חומר אפל מגיבים אלו עם אלו, כלומר חלקיקי חומר אפל מסוגלים להרגיש ביניהם כוח שחומר רגיל אינו מסוגל להרגיש. החלקיקים האלה יוכלו, למשל, לשאת סוג חדש של "מטען אפל" שמפעיל ביניהם משיכה או דחייה אף שהם נשארים ניטרליים מבחינה חשמלית. ממש כפי שחלקיקים רגילים בעלי מטען חשמלי יכולים לפלוט פוטונים (חלקיקי אור, שהם הנַשָֹּאים של הכוח האלקטרומגנטי), כך ייתכן שחלקיקים בעלי מטען אפל יכולים לפלוט "פוטונים אפלים": לא חלקיקי אור אלא חלקיקים המגיבים עם מטען אפל באותו אופן שבו פוטונים מגיבים עם מטען חשמלי.

ואולם, ההקבלה לעולם החומר הרגיל חייבת להיעצר בשלב מסוים. ואנחנו יודעים זאת מן השיקולים האלה: נניח שחוקי החומר האפל משקפים את החוקים שלנו במדויק. בעולם כזה ייווצרו אטומים אפלים וייפלטו פוטונים אפלים באותו קצב שחומר רגיל פולט פוטונים רגילים. בעולם שלנו פליטת פוטונים מאפשרת מעבר אנרגיה, והיא הסיבה שגלקסיות מתיישרות לבסוף למצב דמוי דסקה. ענני גז שבתוך גלקסיות מקרינים אנרגיה אלקטרומגנטית, ולכן החומר שבתוך העננים מתקבץ לגושים. שימור התנע הזוויתי מונע מן החומר להתכווץ לנקודה, אבל מבנה דמוי דסקה יכול להיווצר בקלות. אילו החוקים והכוחות שמושלים בהתנהגות של החומר האפל היו זהים לשלנו, אזי פליטת פוטונים אפלים הייתה גורמת לכל גלקסיות החומר האפל ליצור דסקות שטוחות. אבל אנחנו יודעים שההתפלגות של החומר האפל שנדרש כדי להסביר את הגלקסיות המוכרות שלנו דומה יותר לענן כדורי. לפיכך אנחנו יכולים לבטל את האפשרות של עולם מַראָה מדויק המורכב מחומר אפל.

ועדיין יש חלופות רבות. למשל, ייתכן ששיעור קטן מן החומר האפל משקף את חוקי היקום שלנו, ואילו הנתח הגדול פועל יותר כמו וימפים פשוטים. או אולי המטען האפל הוא הרבה יותר קטן בפועל מן המטען החשמלי של האלקטרונים והפרוטונים שלנו, והתוצאה היא פליטה מופחתת של פוטונים אפלים. אחד מאתנו (דוברסקו) נמנה עם התיאורטיקנים המעלים רעיונות רבים בנוגע לחלקיקים ולכוחות האפשריים במגזר האפל באמצעות נתונים קיימים המנחים את החשיבה שלנו ומציבים אילוצים להשערות. אחד התרחישים הפשוטים ביותר, הכולל רק שני סוגים של חלקיקי חומר אפל, יכול לפתוח צוהר לחלק מן הפיזיקה שתוכל לפעול בקרב חומר אפל מורכב.

פוטונים אפלים

דמיינו לעצמכם עולם אפל שבו יש שני סוגים של מטען אפל, האחד חיובי והאחר שלילי. במודל הזה יש סוג כלשהו של אלקטרומגנטיות אפלה הגורמת לחלקיקי החומר האפל לפלוט ולבלוע פוטונים אפלים. מכיוון שכפי שהנחנו, החלקיקים האלה טעונים במטען המקביל למטען האלקטרומגנטי הרגיל, אזי חלקיקי חומר אפל בעלי מטען חיובי ושלילי אמורים להיות מסוגלים להיפגש ולהתאיין ולהפוך לפוטונים אפלים, בדיוק כמו חלקיקי חומר רגילים ובני זוגם האנטי-חומריים בעלי המטען ההפוך, המתאיינים ומשחררים פוטונים כשהם נפגשים.

נוכל להסיק כמה מסקנות בנוגע לעוצמת הכוח האלקטרומגנטי האפל וכך לדעת באיזו תדירות מתרחשת התאיינות, אם נתבונן באופן שבו הכוח הזה אמור להשפיע על גלקסיות. זכרו שהסיבה שיש לגלקסיות מבנה משוטח היא שהאלקטרומגנטיות מאפשרת לחומר הרגיל לאבד אנרגיה ולהגיע לבסוף לצורת דסקות. אבדן האנרגיה הזה מתרחש אפילו בלי התאיינות. מכיוון שאנחנו יודעים שהחומר האפל מתפלג בעיקרו בצורת כדור סביב מרבית הגלקסיות ואינו קורס לצורת דסקה, אנחנו יכולים להסיק שהוא אינו יכול לאבד אנרגיה דרך פליטת פוטונים אפלים באותו קצב שהחומר הרגיל עושה זאת. במחקר שפרסמו ב-2009 לוטי אקרמן, מתיו ר' באקלי, שון מ' קרול ומארק קמיונקובסקי, שפעלו אז במכון הטכנולוגי של קליפורניה, הם הראו שהדרישה הזאת מלמדת שהמטען האפל חייב להיות קטן מאוד, בערך 1% מערכו של המטען החשמלי. אבל אפילו עם ערך קטן כזה הכוח יוכל להתקיים ולהשפיע השפעות מובהקות על גלקסיות.

גלקסיה אפלה

עד כה תיארנו גרסה של חומר אפל המכילה חלקיק אפל טעון ואת בן זוגו הטעון במטען הפוך, הפולטים פוטונים אפלים. אבל התרחיש הזה עדיין חיוור לעומת המורכבות של החומר הרגיל. כיצד ייראה עולם של חומר אפל עם כמה סוגים של חלקיקים טעונים?

קיימות תיאוריות רבות שלפיהן יש חומר אפל מורכב ובו שני חלקיקים אפלים אפשריים או יותר. דוגמה מרתקת במיוחד העלו ב-2013 ג'י-ג'י פאן, אנדרי כץ, ליסה רנדל ומתיו ריס, שפעלו אז באוניברסיטת הרווארד וקראו למודל שלהם "חומר אפל בעל אינטראקציות חלקיות". הם הניחו שחלק הארי של החומר האפל עשוי מווימפים, ושקיים גם מרכיב קטן העשוי משני סוגים של חלקיקים המכונים פֶרמיוֹנים: האחד כבד והאחר קל, ושניהם נושאים מטען אפל. (פֶרמיוֹנים הם חלקיקים שעל פי מכניקת הקוונטים יש להם ספין ½; בעולם המוכר שלנו, פרוטונים, נויטרונים והקווארקים המרכיבים אותם הם דוגמאות לפֶרמיוֹנים.) מכיוון שהפֶרמיוֹנים האפלים נושאים מטען אפל, הם פולטים פוטונים אפלים ויכולים להימשך אלו לאלו.

אף שעלינו לנקוט משנה זהירות ולא להעניק פרשנויות מרחיקות לכת להקבלה הזאת, המצב המוצע דומה להנחה שקיימים פרוטון אפל ואלקטרון אפל המקושרים ביניהם בעזרת פוטון אפל הנושא את האלקטרומגנטיות האפלה. על פי המסה והמטענים של הפֶרמיוֹנים האפלים, הם יכולים להתחבר וליצור אטומים אפלים בעלי כימיה אפלה משלהם, מולקולות אפלות ואולי אפילו מבנים מורכבים עוד יותר. הרעיון של אטומים אפלים נחקר בפירוט ב-2010 על ידי דייוויד א' קפלן, גורדן ז' קרנז'יאק, קית' ר' רהרמן וכריסטופר מ' וולס, שפעלו אז באוניברסיטת ג'ונס הופקינס.

הפיזיקאים מהרווארד שהעלו את הרעיון של פֶרמיוֹנֵי חומר אפל המשיכו הלאה וגזרו חסם עליון לשיעור החומר האפל שעשוי לקיים אינטראקציות חזקות עם פוטונים אפלים, על פי האילוצים שכופות התצפיות האסטרונומיות. הם קבעו שהמסה המצטברת שלו עשויה להיות גדולה כמו המסה של כל החומר הנראה. על פי המודל הזה, גלקסיית שביל החלב מורכבת מענן כדורי גדול של חלקיקים דמויי וימפ, שתורמים 70% מסך כל החומר, והענן הזה מקיף שתי דסקות משוטחות, שכל אחת מהן מכילה 15% מן החומר. אחת הדסקות היא חומר רגיל וכוללת את הזרועות הספירליות שאנחנו יכולים לראות, והאחרת מורכבת מחומר אפל המנהל אינטראקציות חזקות. שתי הדסקות אינן חייבות לחפוף זו את זו במדויק, אבל הכיוון שלהן יהיה דומה. על פי התמונה הזאת, גלקסיית חומר אפל קיימת לצד שביל החלב המוכר שלנו. אך שימו לב: גלקסיית החומר האפל לא תכלול שמשות אפלות או כוכבי לכת גדולים מכיוון שנוכל לצפות בגופים כאלה דרך השפעות העידוש הכבידתי שלהם על אור רגיל.

הרעיון עשוי להישמע קיצוני, אבל הדסקה הנוספת בגלקסיה שלנו לא תכניס יותר מדי שינויים בקוסמוס החומר הרגיל שלצדו היא קיימת. אחרי ככלות הכול, כל תיאוריה על חומר אפל שיש לה סיכוי להתברר כנכונה חייבת לעלות בקנה אחד עם התצפיות הקיימות על החומר הנראה. ייתכן שאנחנו חיים ביקום כזה בלי שנדע על כך.

האופק הניסויי

מדענים יכולים לחפש חומר אפל מורכב באותן דרכים שבהן הם מחפשים וימפים: בעזרת גלאים תת-קרקעיים רגישים. אחת ההשפעות של מודל החומר האפל המנהל אינטראקציות חלקיות, שמתאר את דסקת החומר המרוכזת המצויה בערך באותו מישור של החומר הנראה של שביל החלב, היא שהחומר האפל החולף בגלאים שלנו יהיה צפוף יותר ממה שחוזה מודל הווימפים. ייתכן שבשל הצפיפות הזאת ההסתברות שיימצא חומר אפל בגלאים האלה תהיה גדולה יותר ממה שחוזה התיאוריה המקובלת.

מלבד עריכת ניסויים כאלה, פיזיקאים מקווים ליצור חומר אפל במאיצי חלקיקים, לצד כל החלקיקים האקזוטיים האחרים הנוצרים שם. מכיוון שאנחנו יודעים מעט מאוד על האופן שבו חומר אפל מגיב עם חומר רגיל, וממילא איננו יודעים אילו תהליכים בתוך המאיץ יוכלו ליצור חומר כזה, פתחו מדענים בתכנית מחקר רחבת היקף. התכנית הזאת רגישה למגוון מודלים של חומר אפל, מהווימפ הפשוט ועד סוגים אפלים מורכבים יותר, אף שאין מנוס מלהניח הנחות מסוימות, כגון שהחומר האפל מגיב עם חומר רגיל באמצעות כוח או כוחות חזקים הרבה יותר מן הכבידה (שהיא החלשה ביותר בכוחות הידועים) אך חלשים מכדי שנצליח לצפות בהם. ההנחה הזאת הכרחית מכיוון שאם האינטראקציות היחידות של החומר האפל הן כבידתיות, לעולם לא נוכל ליצור אותו במאיץ מתקבל על הדעת, וגם לא נוכל לראות אותו בחיפוש ישיר. הכוח הזה יהיה שונה מן הכוח דמוי המטען שדרכו ייתכן שהחומר האפל מגיב עם עצמו.

מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) שבמעבדת CERN שעל יד ז'נווה הוא המאיץ באנרגיות הגבוהות ביותר בעולם, המקנות לו יתרון בחיפוש גרסאות כבדות יותר של חומר אפל (ככל שהמסה של חלקיק גדולה יותר, כך דרושה יותר אנרגיה כדי ליצור אותו בתוך מאיץ) וגם בחיפוש חלקיקי חומר אפל שהאינטראקציות שלהם נעשות יותר ויותר תדירות עם עליית האנרגיה שלהם. מכיוון שאנחנו כבר יודעים שחומר אפל יכול לנהל רק אינטראקציות חלשות מאוד עם חומר רגיל, איננו יכולים לצפות שנראה אותו במישרין במאיץ, העשוי מחומר רגיל. במקום זאת, כדי למצוא חומר אפל המדענים מחפשים התנגשויות שחסרה בהן אנרגיה. למשל, שני פרוטונים יכולים להתנגש ולייצר חלקיק רגיל או חלקיקים רגילים שיצאו מצד אחד של ההתנגשות וצמד חלקיקי חומר אפל שיצאו מן הצד האחר. בעקבות אירוע כזה תיראה אנרגיה בצד אחד של הגלאי בלבד. מדענים מחשבים כמה התנגשויות אמורות להתרחש כדי שנראה את התצורה המרשימה הזאת אם חומר אפל אינו קיים, ובודקים אם המצב הזה מופיע יותר פעמים מן הצפוי.

עד כה לא הופיעו שום סימנים לחריגה כזאת בתוך ה-LHC, אות לכך שהאינטראקציות של חומר אפל עם חומר רגיל חייבות להיות נדירות מאוד, אם הן מתרחשות בכלל. לאחרונה נפתחה הזדמנות חדשה לראות סימנים לחומר אפל בזכות ההרצה השנייה והמשודרגת של ה-LHC באנרגיות גבוהות יותר, שהתחילה באביב 2015. משמעות הדבר היא שייתכן שתגלית המאה ניצבת ממש מעבר לפינה.

מלבד החיפושים של חומר אפל שתיארנו זה עתה, המתאימים הן למציאת וימפים הן למציאת חומר אפל מורכב, יש גישות שמכוונות להתמקד יותר במגזר האפל המורכב ובייחוד בפוטון האפל. כמה מודלים מעלים את האפשרות שפוטונים אפלים יכולים להפוך ללא הרף לפוטונים רגילים ובחזרה באמצעות חוקי מכניקת הקוונטים, ואם זה קורה, אזי יש הזדמנות לראות את הפוטונים הנוצרים. מודלים אחרים מעלים את האפשרות שלפוטונים אפלים יש מסה שאינה אפס (במקרה הזה משתמשים במילה "פוטון" במשמעות חופשית במקצת מכיוון שהם שונים מן הפוטונים המוכרים, חסרי המסה). אם לפוטון אפל יש מסה, הוא עשוי להתפרק לחלקיקים קלים יותר. ומכיוון שהפוטון האפל הזה יכול להפוך לזמן קצר לפוטון רגיל, יש סיכוי קטן שהוא יוכל ליצור זוגות של אלקטרונים ובני זוגם האנטי-חומריים או ליצור זוגות חומר-אנטי-חומר של מיואונים (דודניהם של האלקטרונים) תוך כדי תהליך השינוי.

על כן שיתופי פעולה של נסיינים, בהם מיזם אחד שחבר בו אחד מאתנו (לינקולן), מחפשים התנגשויות שיוצרות זוגות אלקטרון-פוזיטרון או מיואון-אנטי-מיואון. מחקרים כאלה מצויים בעיצומם ב-LHC ובמתקני מאיץ אחרים, למשל מיזם KLOE-2 במעבדות הלאומיות בפרַסקָאטי, השייכות למכון הלאומי לפיזיקה גרעינית באיטליה, ניסוי חיפוש הפוטון הכבד (HPS) במתקן המאיץ הלאומי ע"ש תומס ג'פרסון בניופורט ניוז שבווירג'יניה, וניסוי הגלאי BaBar במעבדת המאיץ הלאומית האמריקנית SLAC, ומדענים אפילו נוברים בנתונים מלפני יותר מעשור שנאספו בניסוי המכונה mQ במעבדת SLAC.

גישה מעניינת אחרת נעזרת במעבדת המאיץ הלאומית האמריקנית ע"ש פרמי שבעיר בטאוויה שבאילינוי ("פרמילאב"), כדי ליצור קרניים של חלקיקי חומר אפל. נכון לעכשיו, פרמילאב מייצרת אלומות ניטרינו רבות עוצמה ויורה אותן על גלאים רחוקים. חלקיקי ניטרינו הם חלקיקים תת-אטומיים קלים מאוד שמגיבים כמעט רק באמצעות הכוח הגרעיני החלש. אם חומר אפל מגיב עם חומר רגיל באמצעות חלקיקים כמו פוטונים אפלים, ייתכן שבאותן אלומות נוצר גם חומר אפל, ושהוא יוכל להתגלות באחד הגלאים של פרמילאב: MiniBooNE, MINOS או NovA.

ואחרון חביב, המדענים יכולים לחפש סימנים אסטרונומיים המעידים על אינטראקציות של חומר אפל במצבים כמו התנגשות גלקסיות למשל. בתרחישים כאלה, כשהחומר האפל מגלקסיה אחת מוטח בחומר האפל שבגלקסיה האחרת, החלקיקים יכולים לדחות אלו את אלו על ידי חילופי פוטונים אפלים. כמה וכמה מחקרים על התנגשות גלקסיות לא הצליחו למצוא ראיות לתופעה הזאת, אבל תצפיות שהתפרסמו לפני כמה חודשים על הצביר Abell 3827, שהוא קרוב במיוחד לכדור הארץ ומופנה בזווית טובה יחסית אליו, מרמזות על דפוס כזה בדיוק. יידרשו תצפיות נוספות על התנגשות הגלקסיות הזאת ועל התנגשויות אחרות כדי לאשש את האות, אבל נכון לעכשיו הנתונים מן הצביר הזה נראים מבטיחים בעבור מודלים של חומר אפל מורכב.

חידה קוסמית

אין ספק שאנחנו ניצבים לפני חידה עמוקה. בקני מידה גדולים, החומר הרגיל הכפוף לכוח הכבידה אינו מתנהג בדרכים העולות בקנה אחד עם חוקי הפיזיקה הידועים ועם ההתפלגות הנצפית של המסה. חוסר ההתאמה הזה משכנע את מרבית המדענים שקיימת צורה כלשהי של חומר אפל. אבל השאלה איזו צורה לובש החומר הזה מעוררת יותר ויותר מחלוקות ככל שהניסויים שלנו ממשיכים להיכשל במציאת ראיה למודלים הפשוטים ביותר של חומר אפל. מן הסיבה הזאת, ובשל כמה חוסר התאמות בין תחזיות מודל הווימפ הפשוט לתצפיות האסטרונומיות, תיאוריות של חומר אפל מורכב נעשות משכנעות יותר. המודלים האלה מספקים לתיאורטיקנים פרמטרים נוספים שבעזרת כוונון שלהם אפשר לשפר את ההתאמה בין הנתונים לתיאוריה. נוסף על כך, התיאוריות האלה תואמות יותר למגוון ולעושר של החומר הרגיל.

אחת הביקורות שאפשר למתוח על הגישה הזאת היא שהיא מתאמצת מדי לשמור על השערת החומר האפל בחיים. האם ייתכן שהמצב הזה דומה לרעיון המושמץ של האֵפִּיצִיקְלים, שהעלו האסטרונומים בני המאה ה-16 בניסיון לשמר את הגאוצֶנטְריוּת [התיאוריה שטענה שכדור הארץ מצוי במרכז היקום – העורכים] על ידי הוספת עוד ועוד כוונונים לתיאוריה שהייתה פגומה מיסודה? אנחנו סבורים שלא, מכיוון שהחומר האפל מסביר חידות אסטרונומיות רבות בהצלחה ראויה לציון, ומכיוון שאין שום סיבה א-פריורית להניח שהחומר האפל יהיה פשוט כמו שמציעה השערת הווימפים.

המסר האמיתי הוא שאנחנו ניצבים לפני תעלומה, ושאנחנו לא יודעים מה יהיה הפתרון. עד שנמצא אותו עלינו להיות פתוחים לשלל הסברים, בהם האפשרות המפעימה שייתכן שאנחנו חיים לצד מציאות אפלה מקבילה. ומה אם מדען העשוי מחומר אפל נשא את עיניו לשמים שלו וכעת הוא תוהה על אודותינו?

לקריאה נוספת

• Dark Matter and Dark Radiation. Lotty Ackerman et al. in Physical Review D, Vol. 79, No. 2, Article No. 023519; January 23, 2009.
• Atomic Dark Matter. David E. Kaplan et al. in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Vol. 2010, No. 5, Article No. 021; May 19, 2010. 
• Dark-Disk Universe. JiJi Fan et al. in Physical Review Letters, Vol. 110, No. 21, Article No. 211302; May 23, 2013. 
• The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter. Katherine Freese. Princeton University Press, 2014.
• The Large Hadron Collider: The Extraordinary story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind. Don Lincoln. Johns Hopkins University Press, 2014.
• עולמות אפלים. ג'ונתן פנג ומארק טרודו; סיינטיפיק אמריקן ישראל, פברואר-מארס 2011