מדענים ממכון ויצמן למדע השתתפו בפיתוח שיטה שאולי תסייע במדידת חומר אפל

צוות מדענים בין-לאומי, ובהם מדענים ממכון ויצמן למדע, הודיעו היום (חמישי) כי הצליחו להשיג את הרגישות הרבה ביותר עד כה, בחיפוש אחר חלקיקי החומר האפל, שלפי תיאוריה רווחת, מהווים יותר מ-80% מהחומר ביקום. המדענים לא הצליחו למצוא עדות לקיומו של חומר אפל, אבל הניסוי שביצעו הראה שעלה בידם לפתח דרך לביצוע מדידה רגישה במיוחד, שתוכל למדוד בעתיד חלקיקי חומר אפל – אם הם אכן קיימים. בניסוי משתתפים כ-60 מדענים מ-14 מוסדות מחקר בתשע מדינות, ובהם פרופ' עילם גרוס, פרופ' אהוד דוכובני, פרופ' עמוס ברסקין ותלמיד המחקר עופר ויטלס ממכון ויצמן למדע.

 

לאחר מאה ימים של איסוף נתונים באמצעות גלאי המבוסס על קסנון נוזלי, הפועל בעומק האדמה במעבדת גראן סאסו שבאיטליה, לא נמצאו כל עדויות לקיומם של חלקיקים מאסיביים בעלי אינטראקציה חלשה עם חומר. חלקיקים אלה, המכונים בקיצור WIMPs, נחשבים למועמדים מובילים להוות את החומר האפל.

 

תצפיות קוסמולוגיות רבות מצביעות בעקביות על כך שרק 17% מהחומר ביקום הוא "חומר רגיל", כפי שאנו מכירים אותו. יתר 83 האחוזים עשויים מחומר שאינו פולט אור, כך שאיננו יכולים לראותו – אם כי כבידתו משפיעה על סביבתו. עובדה זו מתיישבת במידה מסוימת עם חיזויים הקשורים בפיסיקה של "עולם החלקיקים הזעירים", שכן הרחבה הכרחית של המודל הסטנדרטי – התיאוריה המקובלת בפיסיקה של חלקיקים - מובילה לתחזית שלפיה חלקיקים אקזוטיים וחדשים אכן קיימים, וחלקיקים אלה הם מועמדים מושלמים למלא את תפקידו של החומר האפל.

 

החיפוש אחר חלקיקי WIMPs מונע, אם כן, הן על-ידי מחקר בתחום הקוסמולוגיה והן על-ידי מחקרים בפיסיקה של חלקיקים. רמז נוסף לקיומם מגיע מהעובדה כי חישוב השכיחות שלהם מאז ימי המפץ הגדול תואמת את הכמות החזויה של החומר האפל. מאחורי מחקר חלקיקי ה-WIMPs, והרצון לזהות אותם באופן ישיר, ניצבת השאיפה להשלים פיסה מרכזית החסרה בתמונת היקום שלנו.

 

טבעו ותכונותיו של החומר האפל נחקרים באמצעות מגוון גישות ושיטות המספקים עדויות עקיפות בלבד. על פי החיזוי, מאסתם של חלקיקי ה-WIMPs היא דומה לזו של גרעיני האטומים, אבל הסיכוי שהם יתנגשו בגרעיני האטומים של חומר רגיל היא נמוך מאוד. לכן, קשה מאוד לגלותם.

 

לפי תפיסה אחת, חלקיקים אלה יוצרים ענן עצום סביב הגבולות הנראים של הגלקסיה שלנו, וכדור-הארץ, יחד עם השמש, חוצים את הענן הזה במסעם דרך הגלקסיה. באופן זה נוצרת "רוח של חלקיקי WIMPs", אשר עשויה, מפעם לפעם, לפזר גרעיני אטומים בגלאים הממוקמים על כדור-הארץ, ולהשאיר כמויות קטנטנות של אנרגיה, אותה אפשר לזהות באמצעות מכשור רגיש ביותר.

 

בניסוי ה-XENON100, משמשים 62 ק"ג של קסנון נוזלי כמעין מטרה לפגיעת חלקיקי WIMPs. הנוזל, בטמפרטורה של 90 מעלות צלסיוס מתחת לאפס, מצוי במיכל של פלדת אל-חלד המצויד במערכת קירור אשר שומרת על תנאים קבועים. הניסוי ממוקם במעבדה התת-קרקעית מתחת להר גראן סאסו (Gran Sasso) באיטליה, שם שכבת סלע בעובי 1,400 מטר מגנה על הגלאי מפני קרינת רקע קוסמית רדיואקטיבית. שכבות של חומרים בולעי קרינה – אקטיביים ופסיביים – המקיפים את הגלאי, מקנים לו הגנה נוספת. אלה כוללים 100 ק"ג של קסנון נוזלי פעיל הפולט הבזקי אור כאשר פוגעת בו קרינה רדיואקטיבית; כשני טון נחושת טהורה, 1.6 טון פוליאתילן וכ-34 טון של עופרת ומים. רכיבי הגלאי עשויים מחומרים טהורים, במטרה ליצור סביבה נקייה ככל האפשר מרעשי רקע.

 

חלקיקים המקיימים אינטראקציות עם החומר שבמיכל הקסנון הנוזלי מעוררים ומייננים את אטומי הקסנון, וכך גורמים לפליטה מיידית של אור מהבהב בתחום האולטרה-סגול. פליטה נוספת של אור מתרחשת בשלב מאוחר יותר, כתוצאה ממעברם של האלקטרונים המיוננים אשר חוצים את שכבות הנוזל. כאשר מגיעים אלקטרונים אלה לפני השטח, בו יש מעבר ממצב צבירה נוזלי לגזי, הם מואצים לתוך הגז ופולטים קרינה באורך גל זהה – 178 ננו-מטר. שני האותות, המיידי והמושהה, נקלטים על-ידי שתי מערכות גלאים, שאחת מהן ממוקמת בתחתית הנוזל, והשנייה בגז שמעליו. המדידה הבו-זמנית של שני האותות מאפשרת לפענח את רמת האנרגיה ואת המיקום המרחבי בהם התרחשה ההתנגשות, ולספק מידע על טבעה. היחס בין שני האותות והמיקום המדויק מאפשרים, בדרגת וודאות גבוהה, להבחין בין אותות שמקורם בחלקיקי WIMPs לבין רעשי רקע.

 

תוצאות שהתקבלו מניתוח נתונים שנאספו במשך כ-11 ימים, במהלך תקופת ההרצה של הניסוי באוקטובר ובנובמבר 2009, הובילו לקביעת סף עליון חדש לשיעור האינטראקציות של חלקיקי WIMPs – שיא עולמי מבחינת רמת הדיוק, עבור חלקיקי WIMPs שמאסתם אינה עולה על זו של 80 פרוטונים. ממצאים אלה התפרסמו בשנת 2010 בגיליון ה-105 של כתב העת Physical Review Letters.

 

מחקר נוסף שמטרתו למצוא את החומר האפל התבצע במשך 100 ימים בין ינואר ליוני 2010, כאשר הנתונים נאספים באופן "עיוור", מבלי לכוון את החיפוש לטווח הרצוי. לאחר חשיפת הנתונים הרלבנטיים, התגלו שלושה אירועים (התנגשויות) בטווח בו צפויות התנגשויות של חלקיקי WIMPs. התוצאות נמצאות בטווח הטעות הסטטיסטית של שני אירועים צפויים, שמקורם בקרינת רקע רדיואקטיבית. לכן, אין לטעון כי התגלו עדויות להימצאות חומר אפל, אבל לעומת זאת, נקבע סף עליון למידת העוצמה של האינטראקציות בין חלקיקי WIMPs לבין חומר רגיל. תוצאות אלה מספקות את התחום המדויק ביותר הידוע עד כה להימצאותו של החומר האפל, ומצמצמות את הטווח שנחזה על ידי תיאוריות הסופר-סימטריה של פיסיקה של חלקיקים, המתייחסות לחומר האפל.

 

פרופ' גרוס: "בניסוי ה-XENON100 הופחתו רעשי הרקע במידה הגדולה יותר מכל ניסוי אחר ברחבי העולם, שניסה להתחקות אחר החומר האפל. רעשי הרקע הפנימיים של המערכת, שמקורם בכמויות זעומות של קריפטון רדיואקטיבי המעורבבות באופן טבעי בקסנון, הופחתו בהצלחה חסרת תקדים, וביצועי הגלאי הלכו והשתפרו כתוצאה מניסוי לטעייה במהלך הפעלתו". בעוד הנתונים הולכים ונאספים, מתכוננים המדענים לדור הבא של הניסויים: גלאי ה-XENON1T יכיל 1,000 ק"ג של קסנון נוזלי כמטרה להתנגשויות של חלקיקי WIMPs באופן שיגביר את רגישותו פי 100, תוך צמצום נוסף של רעשי רקע.

 

במחקר הנוכחי השתתפו מדענים מ-14 מוסדות מחקר, מארה"ב (אוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, אוניברסיטת רייס ביוסטון); סין (אוניברסיטת ג'ייאו טונג בשנחאי); צרפת (סובטק נאנט); גרמניה (מכון מקס-פלנק בהיידלברג, אוניברסיטת מיינץ, וילהלמס יוניברסיטאט מונסטר); ישראל (מכון ויצמן למדע); איטליה (המעבדה הלאומית של גראן סאסו, INFN, אוניברסיטת בולוניה); הולנד (ניחף אמסטרדם); פורטוגל (אוניברסיטת קואימברה) ושווייץ (אוניברסיטת ציריך).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

מידע נוסף – ותמונות – אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע 08-934-3856