אחת התעלומות הגדולות ביותר במדע לקראת פיצוח

חומר אפל מרכיב את רוב היקום, אך למרות זאת אף אחד לא יודע מה הוא בדיוק. בקרוב, יתכן שהפיזיקאים יפתרו סוף סוף את אחת התעלומות הגדולות ביותר של המדע.

צילום: טרביס ראת׳בון, מדע פופולארי

צילום: טרביס ראת׳בון, מדע פופולארי

הכתבה פורסמה לראשונה במגזין Popular Science ישראל בגיליון 235 שראה אור בנובמבר 2013 ונכתבה במקור על ידי קורי ס. פאוול.

“פנה כאן. קח את כביש העפר מימין. אתה חייב לראות את זה”. אני מחנה את הרכב השכור שלי, וריק גייטסקל מוביל אותי לנקודת תצפית ארעית בנויה עץ המשקיפה על המכרה של עיר הרפאים טרוג’אן, דקוטה הדרומית, קילומטר וחצי בלבד מביתו. בדמדומים המתעבים, אנחנו צופים בקבוצת דחפורי Caterpillar מרימים ומסיעים מהמקום גושים של הר, ויוצרים בור מדורג גדול. בקרבת מקום, צומח רכס שטוח במקום שם ערמו המשאיות סלעים מחפירה מוקדמת יותר. האורות הקדמיים המסנוורים שלהם משקפים את זוהרו של ונוס, המרחף ממש מעל האופק.

“זה מדהים”, אומר גייטסקל. “אי אפשר לעצור את זה. הם ממש מזיזים הרים בחיפוש אחר זהב”. אני מנסה לקרוא את הבעת פניו באור האפלולי. בהתחלה, אני מניח שהוא מביע מזדהה עם החופרים באתר בטרוג’אן. מבחינה טכנית, הוא פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת בראון, אבל זה לא יהיה מוגזם לומר שהוא גם מחפש זהב.

גייטסקל מוביל צוות שהתחיל לאחרונה לבצע את ניסוי הקסנון התת-קרקעי הגדול (LUX – Large Underground Xenon), גלאי חלקיקים גדול הממוקם בעומק של כמעט קילומטר וחצי במכרה הזהב Homestake הנמצא בקרבת מקום. למעשה, הוא מנפה לאיתור חומר אפל, החומר הבלתי נראה – ולעת עתה, ההיפותטי – שמרכיב חמש שישיות מהמסה של היקום. אם הוא ימצא אותו, הועד הבוחר של פרס הנובל ידפוק ככל הנראה על דלתו. גילוי תריסר חלקיקים חומר אפל בלבד יכול להספיק כדי לגרום לבלבול גדול בכלל מדע הפיזיקה המודרנית. בהתחשב בעובדה שעלות ניסוי ה-LUX היא כעשרה מיליון דולר, המחיר המעשי של החומר האפל עומד על כמיליון טריליון דולרים ל-30 מ”ג. זהו חומר יקר ללא תקדים.

״אני מחפש חומר אפל מזה 23, לא, 24 שנים״, הוא אומר. והוא לא לבדו; החיפוש אחר החומר האפל צמח לתעשייה קטנה, על אף שעדיין אין לה מוצר למכירה. “כל הניסויים שבוצעו סיפקו למעשה תוצאות שליליות. אף אחד אפילו לא יודע אם החומר המחורבן בכלל קיים. החברה האלה”, אומר גייטסקל, ומניד ראשו לעבר הבור, “יודעים בדיוק היכן הזהב נמצא”. אני מבין עכשיו שהוא לא חש אמפתיה כלפי הכורים. הוא חש קנאה.

אז התבהרו פניו: “הפעם, התוצאה עשוייה להיות שונה. אחרי כשבועיים של פעילות, אנחנו מצפים שה-LUX יעקוף את הרגישות של הניסוי העכשווי המוביל בעולם. אחרי זה, הוא אמור להיות רגיש לחלקיקי חומר אפל באופן שאף ניסיון לגילוי ישיר לא היה עד כה. בינתיים, ניסויים אחרים סוגרים על החומר האפל מחזיתות מרובות”.

מתחת למקום שבו אנחנו עומדים, המשאיות ממשיכות את התמרונים הבלתי פוסקים שלהן. מעלינו, כוכבי העגלה הגדולה מתחילים לנצנץ בשמיים המחשיכים. מסביבנו, מציאות נוספת ככל הנראה קושרת את היקום יחדיו ושומרת על הסדר בתוכו. אף אחד בכל ההיסטוריה לא ראה את המארג הבלתי נראה הזה. אבל בשנתיים הקרובות, מדענים כמו גייטסקל עשויים לחשוף אותו.

צינוריות מכפילות בתוך גלאי ה-LUX בדקוטה הדרומית יכולות לזהות פוטונים הנפלטים כשחלקיקי חומר אפל מתנגשים עם גרעינים של אטומי קסנון. צילום: מדע פופולארי

צינוריות מכפילות בתוך גלאי ה-LUX בדקוטה הדרומית יכולות לזהות פוטונים הנפלטים כשחלקיקי חומר אפל מתנגשים עם גרעינים של אטומי קסנון. צילום: מדע פופולארי

לגעת בחומר אפל

אם אתם רוצים לשים את ידיכם על משהו עדין כמו חומר אפל, הדבר הראשון שאתם צריכים לעשות הוא להתרחק מכל מה שעשוי לחסום את מסלולכם. זאת הסיבה שהמסע שלי לניסוי ה-LUX מתחיל בנסיעה במעלית מפוצצת אוזניים מטה אל מעמקי הפיר ייטס של מכרה הומסטייק (Homestake) הישן. פני השטח של העולם מוצפים בחלקיקי אטומים במהירות גבוהה הנפלטים מהשמש, על ידי סופר-נובות המתפוצצות בחלל העמוק, ואפילו על ידי חורים שחורים מרוחקים. עם כל שנייה של ירידה, הכאוס הזה נחלש. אחרי ירידה של עשר דקות, אני מגיע לעומק של 1,478 מ’ ויוצא אל תוך מבוך מואר באור בוהק של מנהרות מסויידות. עד 2002, היה הומסטייק עדיין מכרה זהב פעיל. עכשיו, שונה ייעודו למתקן המחקר התת-קרקעי של סנפורד. רק כאן פני שטח העולם מרוחקים מספיק כדי שה-LUX יוכל לבצע את עבודתו.

ההיסטוריה של מחקר חומר אפל עקב אחרי מסלול דומה, במהלכה הסירו מדענים את האספקטים החזותיים של היקום כדי לקבוע מה עוד נמצא שם בחוץ. זה התחיל בשנות ה-30, כאשר האסטרופיזיקאי השוויצרי פריץ זוויקי מדד את התנועות של גלקסיות והבין שאפילו אחרי שהוא לקח בחשבון את כל הכוכבים והגזים, נראה שמשהו נשאר עודף: גושים אדירים של חומר בלתי נראה המעיפים גלקסיות סביב במהירויות גבוהות. הוא כינה את החומר dunkle Materie.

כיום, הראיות לקיומו של חומר אפל נמצאות בכל מקום. גורם בלתי נראה גורם לגלקסיות להסתובב מהר יותר מהצפוי. הוא גורם לאשכולות של גלקסיות לכופף ולעוות אור כוכבים חולף יותר ממה שאמור לקרות. נראה אפילו שהוא מסביר כיצד הגלקסיות האלה נוצרו מלכתחילה. סימולציות של מחשבי-על מראות שלעננים פזורים של חומר רגיל ביקום המוקדם לא היה מספיק כוח משיכה כדי ליצור יחד גלקסיות המסודרות לאשכולות הגלקסיות הנראים היום. אם מריצים את אותן סימולציות כאשר רכיב אפל מעורב בסיפור, הכל מתאים יחד בצורה מדוייקת.

שונה מכל מה שהכרנו

איש אינו יודע מהו החומר האפל, אבל פיזיקאים יכולים לומר לכם בדיוק מה הוא לא: אטומים רגילים מהסוג שמרכיב אתכם, אותי, וכל דבר אחר בעולם הנראה לעין. חלק מההוכחות המשכנעות ביותר מגיע ממדידות של רקע המיקרוגלים הקוסמי, דמדומי המפץ הגדול. מיד לאחר רגע הלידה הזה, היקום כולו צלצל כמו פעמון, ובדיוק כפי שהטון של פעמון משקף את גודלו וצורתו, כך גם תבנית הצלצול הקוסמי חושפת בדיוק איזה חומר היה נוכח ביקום המוקדם. התשובה המפתיעה: 15 אחוז מהחומר היה ועדיין נראה לעין, 85 אחוז אפל. (ומוזר אף יותר – חומרים נראים ואפלים יחד מהווים רק שליש מסך המסה; נראה שהשאר הוא מקור כוח בלתי ידוע המוטמע בחלל עצמו).

“כשלמדתי במכללה ושמעתי ש-85 אחוז מהיקום חסר, ידעתי שזה מה שאני רוצה לחקור”, אומרת ניקול לארסן, סטודנטית לתואר שני בייל שעובדת במתקן סנפורד. לארסן ואני עומדים על סבכת ברזל ומתבוננים בשני המטרים העליונים של גלאי ה-LUX בן שתי הקומות. כל הדברים המיוחדים – הצנרת ששומרת את הציוד נקי ומקורר, הרכיבים החשמליים שאוספים ומעבדים נתונים – נמצאים כאן בקומה שתיים.

אנחנו יורדים למטה, ואני מעכל את האכזבה הקלה מהגלאי עצמו. הוא נראה דיי דומה למיכל מים ענק. למעשה, הוא מיכל מים ענק. הוא מכיל 265,000 ליטרים של מים אולטרה-טהורים שחוסמים את הרדיואקטיביות הטבעית הנפלטת מהסלעים שמסביב. תלוי בתוך המיכל, מחוץ לטווח הראייה, נמצא מקפיא טיטניום בגובה 1.78 מ’ השוקל שני טון והמכיל 363 ק”ג של קסנון נוזלי המקורר למינוס 112 מעלות.

בהתחשב במורכבות של המדע ביסודו, הקונספט מאחורי ה-LUX הוא פשוט בצורה מוזרה. “לא משנה מה הוא חומר אפל, הוא ללא ספק מצוי בתצורת חלקיקים”, אומר גייטסקל. על פי התיאוריה המובילה של הפיזיקה, חומר אפל הוא חלקיק מסיבי בעל קשר חלש (weakly interacting massive particle), או WIMP. במוקדם או במאוחר, WIMP חולף אמור להתנגש באופן רנדומלי באטום מחומר רגיל, ולהעיף את האטום. זה יהיה כמו האיש הבלתי נראה היוצא לריצה קלה וחושף את עצמו על ידי התנגשות מקרית באצן אחר. כשזה קורה לאטום קסנון בתוך ה-LUX, משתחרר הבזק אור המשחרר מטען חשמלי קל. גלאים בתוך המכל מחפשים אחר שני הסימנים הזה, בעוד תוכנה מנקה את הרעש מכל דבר אחר.

מבין עשרת הניסויים המתחרים האחרים, כולם מסתמכים על אותו עקרון התנגשות פשוט: לראות אות, לאתר WIMP, לזהות חומר אפל, לזכות בפרס נובל. האם ה-LUX יהיה זה שיזכה בפרס?

גייטסקל נאנח. “המציאות היא שאתה מנסה בעיקר לזהות אותות שגרתיים שרק נראים כמו חומר אפל. אתה נמצא שם בחזית הטכנולוגית, לכן פעמים רבות אתה צריך ללמוד כיצד הגלאי שלך פועל תוך כדי עבודה”, הוא אומר. זהו מתכון לטעויות ולטענות שנויות במחלוקת, מהן היו רבות בשני העשורים האחרונים. ניסויי חומר אפל רבים אחרים דיווחו על ממצאים מסקרנים אך עמומים. אחד, הנקרא DAMA, המבוסס באיטליה, טוען שבמשך עשר שנים הוא מבצע תצפיות שעוקבות אחר חלקיקי חומר אפל החולפים על פני כדור הארץ. צוותים מתחרים לא מצאו מקור לטעות, אבל הם גם לא הצליחו לאשש את הטענה.

“כולם רודפים אחריהם, מנסים לתקוע יתד בליבו של DAMA”, אומר חואן קולר מאוניברסיטת שיקגו, שמוביל ניסוי גלאי חומר אפל נוסף שנקרא COUPP, שמתחיל עכשיו לפעול במכרה Vale Creighton ליד סאדסברי, אונטריו.

גייטסקל כמהה לתשובות יותר חד משמעיות. “זה לא הגיוני לבנות ניסוי שלא הולך להיות טוב יותר מכל מה שכבר נעשה”, הוא אומר, “לכן תכננו גלאי שיהיה גדול ורגיש באופן משמעותי”. החיפוש יתחיל השנה בניסוי הכלים במשך 60 יום, ובעקבותיו הרצה של 300 יום. עד אז, ה-LUX יהיה עמוק בתוך שטח בלתי מוכר, ויעקוף את הרגישות של חיפושים מוקדמים יותר בחזקה של בערך 10.

חלקיקים המתנגשים זה בזה במאיץ ה-LHC יוכלו לייצר חומר אפל. החלקיקים כנראה יתפזרו מבלי שניתן יהיה לזהות אותם, לכן פיזיקאים יחפשו סימני אנרגיה שהם ישאו איתם. צילום: מדע פופולארי

חלקיקים המתנגשים זה בזה במאיץ ה-LHC יוכלו לייצר חומר אפל. החלקיקים כנראה יתפזרו מבלי שניתן יהיה לזהות אותם, לכן פיזיקאים יחפשו סימני אנרגיה שהם ישאו איתם. צילום: מדע פופולארי

יצירת חומר אפל

ניסויים שתוכננו לזהות חומר אפל באופן ישיר, כמו ה-LUX, אטרקטיבים, מכיוון שהם כל כך אינטואיטיביים: או שמשהו נתקל בתוך הגלאי, או שהוא לא. אבל הפשטות שלהם מגיעה עם כמה מגבלות רציניות. אם החלקיקים האפלים הם קלים בצורה משמעותית מהצפוי, הגלאי עלול לא לזהות אותם. אפילו אם הוא כן יזהה אותם, הגלאי יכול לספר לנו רק מעט על המאפיינים שלהם.
אם אתם באמת רוצים להבין את הפיזיקה של חומר אפל, אתם צריכים ליצור אותו במעבדה ולהבין כיצד הוא פועל. ואם אתם רוצים להתחיל לייצר חלקיק אקזוטי חדש שאף אחד לא ראה מעולם, אתם צריכים לרכוש כרטיס טיסה לג’נבה, לרדת למנהרה נוספת, ולהתחיל לעבוד במאיץ ה-LHC (Large Hadron Collider).

זה מה שהפיזיקאי ג’ו לייקן מ-FermiLab, מעבדה לאומית אמריקנית לפיזיקת חלקיקים, עושה בשש השנים האחרונות. זה גם מה שאלפים מעמיתיו עושים. למרות כל הכותרות הנרגשות על הבוזון היגס, גילויו היה מעין הישג משני עבור ה-LHC. פיטר היגס חזה את קיומו של החלקיק הזה לפני כמעט חמישים שנה, כדי למלא את החללים בקשת המסגרת של פיזיקת החלקיקים המוכרת בתור המודל הסטנדרטי. רוב החוקרים בתחום לקחו בחשבון את המצאות הבוזון היגס כמובנת מאליה. (פיזיקאי אחד מ-MIT הודה בארבע עיניים שהוא היה “קצת מדוכא” שההיגס התאים למודל בצורה כל כך טובה).

המטרה האמיתית של ה-LHC היא להתחבט עם כמה מהשאלות הגדולות שהמודל הסטנדרטי אינו מתייחס אליהן. בראש הרשימה: מדוע כוח המשיכה כל כך חלש ביחס לכוחות אחרים? מדוע חומר מתחלק בצורה שרירותית לשתי קטגוריות של חלקיקים – המודגמים על ידי פוטונים ואלקטרונים – שמתנהגים על פי חוקים שונים? וכן, מה הוא חומר אפל?

מסתבר שכל השאלות האלה עשויות להיות קשורות דרך תאוריה שנקראת סופר-סימטריה. “כולנו הסכמנו בשלושים השנה האחרונות שסופר-סימטריה היא הדבר הכי מובן מאליו לטבע לעשות”, אומר לייקן, כיוון שהיא משיבה איזון לפיזיקת החלקיקים ומצביעה על הדרך לכיוון “תאוריית הכל” שמחפשים אחריה מזה זמן רב. סופר-סימטריה חוזה שיש משפחה שלישית של חלקיקים שטרם זוהתה שמקשרת בין שתי אלו שאנחנו מכירים. באופן נוח, המשפחה כוללת חלקיקים שמתאימים לתיאור של חומר אפל: מסיביים, יציבים ובלתי נראים. לתהליך ההוכחה שסופר-סימטריה היא נכונה אמור לכן להיות מוצר הלוואי המשמח של יצירת חומר אפל וזיהוי המאפיינים המדוייקים שלו. בנקודה הזאת נכנס ה-LHC לתמונה.

ב-LHC פיזיקאים מזרימים קרני פרוטונים דרך טבעת תת-קרקעית באורך 27.35 ק”מ, מאיצים אותן ל-99.9999991 אחוז ממהירות האור, וגורמים להן להתנגש. במהירויות האלה, הפרוטונים מכילים כמות אדירה של אנרגיה: הקרן מכילה את האנרגיה המקבילה לטויוטה קורולה הנעה כמעט במהירות הקול. אחרי ההתנגשות, האנרגיה הזאת צריכה להתפזר לאנשהו. מה שקורה הוא שהיא הופכת באופן ספונטני לחומר, ויוצרת רסס של חלקיקים. (ההקבלה של חומר ואנרגיה – הליבה של e=mc2 – היא מציאות יום-יומית בעולם התת-אטומי). כל סוג של חלקיק שניתן ליצור באמצעות מידה כזאת של אנרגיה עשוי להיות נוכח ברסס הזה.
התקווה הגדולה של חוקרים כמו לייקן היא שחלקיקי החומר האפל יהיו בתערובת. מציאתם קשה מאוד, כיוון שהחלקיקים עצמם כנראה חולפים דרך הכלים של ה-LHC והם בלתי נראים. “במקום זה, אנחנו מחפשים את מה שאנחנו מכנים ‘חותמת אנרגיה חסרה'”, אומר לייקן. “זה אומר לך שיש חלקיק אחד או יותר שלא זיהינו ישירות”. זוהי תצורה נוספת של מרדף אחרי צללים.
עד כה, הניסויים האלה, שמתרחשים מאז שה-LHC התחיל לרסק פרוטונים זה בזה ב-2010, לא העלו דבר. “אני חושב שהוגן לומר שאנשים הופתעו קצת שכלי בקנה מידה ובעל תעוזה כמו ה-LHC לא ראה ראיות לסופר-סימטריה”, אומר גייטסקל. חלק מהפיזיקאים התחילו להתלונן שצריך לנטוש את התאוריה, אבל לייקן לא מודאג במיוחד. בגלל מספר תקלות טכניות – בעיקר דליפה של יותר משישה טונות של הליום נוזלי פעל ה-LHC ב-2008 בכמחצית כוחו. בפברואר שעבר, כיבו מהנדסים את המכונה כדי לבצע בה שדרוג משמעותי.

ב-2015 יתחיל ה-LHC לפעול מחדש באנרגיה מלאה. במונחים טכניים, הוא יעבור משמונה טריליון וולטי אלקטרונים ל-14 טריליון וולטי אלקטרונים, אבל קונספטואלית, הוגן לומר שפיזיקאים מתכננים להגביר את הווליום ל-11. “ה-LHC שהרצנו בשנתיים האחרונות היה תכנית הגיבוי אחרי שהייתה לנו תאונה”, אומר לייקן. “לכן לא הוגן להתאכזב שלא גילינו סופר-סימטריה ב-LHC, כיוון שה-LHC האמיתי – זה שתמיד פרסמנו – לא קרה עדיין למעשה”.

חיפושים אחר חומר אפל ב-LHC המחודש יקחו תצורות רבות. פאולין גגנון, מדענית מחקר מאוניברסיטת אינדיאנה שעובדת ב-CERN, קונסורציום הפיזיקה האירופאי שבנה את המאיץ, חוקרת מודלי “עמק חבוי” ספקולטיביים, בהם עולם שלם מקביל של חלקיקים אפלים יכנס ויצא מטווח הראייה ב-LHC. מקום נוסף לחפש חומר אפל, היא מציינת, הוא בחלקיקים שנוצרים כשבוסון היגס מתפרק. הרעיון הזה מראה בדיוק עד כמה מהר מתפתח תהליך הגילוי בפיזיקת חלקיקים. בשנה שעברה, היה ההיגס הסיבה למסיבה, והיווה מקור השראה לכתבות חדשותיות מוגזמות וצהלת חנונים. עד 2015 ההיגס יהיה חלק מוכר מהנוף. הוא יהיה הבוץ והחול אותם יצטרכו לשטוף אלה המחפשים את זהב החומר האפל.

חלקיקי חומר אפל עלולים להשמיד זה את זה כשהם מתנגשים. הספקטרומטר האלפא מגנטי, המורכב על הסמוכה של תחנת החלל הבין לאומית, מחפש אנטי חומר המיוצר על ידי התנגשויות אלה. צילום: מדע פופולארי

חלקיקי חומר אפל עלולים להשמיד זה את זה כשהם מתנגשים. הספקטרומטר האלפא מגנטי, המורכב על הסמוכה של תחנת החלל הבין לאומית, מחפש אנטי חומר המיוצר על ידי התנגשויות אלה. צילום: מדע פופולארי

ציד חומר אפל

בעוד רוב בלשי החומר האפל משתופפים מתחת לאדמה, סמואל טינג ממקד את המחקר שלו 320 ק”מ מעל כדור הארץ, בתחנת החלל הבין-לאומית. לטינג אין עניין לחכות שחלקיקים אפלים יתנגשו באטום או יעופו מגלאי כאן על כדור הארץ; הוא רוצה לאתר אותם בחלל, בשטח שלהם, על ידי זיהוי המסלול הנראה לעין שהם עשויים להותיר אחריהם.

בשמיעה ראשונה, זה יכול להישמע כמו סתירה. אם משהו הוא אפל, איך הוא יכול להיות נראה לעין? אבל בדיוק כפי שחלקיקים אחרים עשויים להיות יכולים לייצר חומר אפל, חומר אפל עשוי לפעמים לאפשר היווצרותם של חלקיקים אחרים. באופן ספציפי, התאוריה העכשווית מעלה את האפשרות שאם שני חלקיקי WIMP מתנגשים, הם משמידים זה את זה, ומייצרים שיהוק של קרני גמא וחלקיקים הניתנים לזיהוי תוך כדי התהליך.

לחלקיקים האלה יהיו כמה מאפיינים יוצאי דופן. למשל, הם יכילו באופן שווה חומר ואנטי-חומר, ככל הנראה אלקטרונים והתאומים המנוגדים שלהם, פוזיטרונים. החלקיקים האלה גם יוכלו לשאת כל מידת אנרגיה עד לנקודה מסויימת אבל לעולם לא יותר ממנה, מגבלה הנקבעת על ידי כמות האנרגיה המוכלת בתוך חלקיק החומר האפל המקורי. כיוון שמסה ואנרגיה מקבילות, האנרגיה המקסימלית הזאת תוכל לחשוף את המסה של החומר האפל. לכן האות הנראית לעין, אם משתמשים במונח “נראה” באופן רופף, תהיה כזאת: שטף בלתי צפוי של פוזיטרונים שמצייתים למגבלת אנרגיה מאוד נוקשה. “נדע שיש לה טבע של חומר אפל, כיוון שהפיזור הזה יכול לנבוע רק מפיזיקת חלקיקים”, אומר טינג.

על כדור הארץ, פוזיטרונים מושמדים ברגע בו הם נוגעים בחומר רגיל, לכן הדרך היחידה לזהות אות של חומר האפל, אומר טינג, היא לחפש אותו בריק של החלל. שלא באופן מפתיע, הרעיון לשגר גלאי חלקיקים אדיר מעל האטמוספרה עורר הרבה ספקנות בהתחלה. “אף אחד לא חשב שניתן לעשות את זה בחלל”, הוא אומר. טינג נלחם במשך 17 שנים, במהלכם התרחשו קטסטרופת מעבורת החלל, אתגרי מימון מרובים וכמה עיכובים טכניים מפחידים, כדי לגרום לזה לקרות. בסוף, ב-2011, התקינו אסטרונאוטים את הספקטרומטר האלפא מגנטי (AMS – Alpha Magnetic Spectrometer) של טינג, השוקל 8,390 ק”ג ועלה 2 מיליארד דולר, על הסמוכה הראשית של תחנת החלל הבין-לאומית.

באביב האחרון, פירסם טינג נתונים מ-25 מיליארד זיהויי החלקיקים הראשונים. הוא משתמש בטון של אופטימיות מאופקת לגבי התוצאות המעורפלות. ה-AMS אינו מזהה את קיטוע האנרגיה שחושף את החומר האפל – מה שטינג מכנה “המצוק” – על אף שיש אולי רמז להתיישרות הקו לפני המצוק. מעודד גם כן: “הנתונים שלנו מגיעים מכל הכיוונים”, אומר טינג, שזה עקבי עם חומר אפל מפוזר אבל לא עם חפץ אסטרונומי בקרבת מקום, כמו כוכב שקורס על עצמו, שבמקרה יורק פוזיטרונים. והוא מציין שיש לו רק שמונה אחוזים מהנתונים שהוא מתכוון לאסוף בין עכשיו ל-2028, אשר יאפשרו לו למפות חומר קוסמי ואנטי-חומר באנרגיות הדומות להתנגשויות ב-LHC. “אף אחד עוד לא היה שם מעולם”.

בכל הנוגע לחיפוש חלקיקים, ה-AMS הוא ללא ספק המשחק הטוב ביותר שבפעולה – וכך הוא כנראה גם יהיה בשני העשורים הבאים. אבל גם חוקרים אחרים עוקבים אחרי החומר האפל בחלל, ומחפשים אחרי קרני הגמא שאמורים להופיע גם הם כששני חלקיקי חומר אפל מתנגשים. הגישה דורשת פחות מידות הרואיות והרבה פחות סבלנות: לנאס”א כבר יש טלסקופ בחלל, מצפה ה-Fermi, המסוגל לזהות פרצי אור באנרגיה גבוהה כמו אלה.

למעשה, הספרות המדעית מוצפת בטענות פרובוקטיביות לזיהוי חתימות קרינה. בשנים האחרונות, הכריזו מספר קבוצות שה-Fermi מזהה עד ארבעה סוגים שונים של אותות קרני גמא שאינן תואמות שום חפץ או תהליך מוכר. זה נראה כמו ראיה מפתה להימצאות חומר אפל, אבל הדיווחים אינם תואמים ביניהם לגבי הרבה מהפרטים, ורבות מהתצפיות המתיימרות הן כל כך חלשות שקשה להבדיל ביניהן לבין השפעות של כלי המדידה או רעש קוסמי רנדומלי. מוזר אפילו עוד יותר – חלקם לא אמורים להיות בכלל ברי זיהוי על פי תאוריות קונבנציונליות של חומר אפל.

דאגלס פינקביינר, מאוניברסיטת הרווארד, שבילה את רוב השנה שעברה בניסיון להבין את אחת מהאותות האפשריות האלו של חומר אפל, אינו מסתיר את התסכול שלו. “זהו משחק קשה”, הוא אומר. “הייתי מסכם באמירה שהעניינים מבלבלים כרגע”. אך עם זאת בתוך הבלבול הזה, הוא רואה התקדמות לקראת אמת עמוקה יותר: העובדה שהניסוים השונים אינם ממש עולים בקנה אחד עשוייה להצביע על כך שיש יותר מתשובה אחת לפאזל החומר האפל.

“אני לא רואה איך חומר אפל יכול להיות רק חלקיק אחד קטן שחי לבדו, בלי קשר לשום דבר אחר”, אומר פינקביינר. “אני חושב שזה הולך לפתוח את הסכר לתחום שלם חדש של פיזיקה”.

הפיזור של חומר אפל ברחבי היקום, הנמדד על ידי הלווין Planck, מוקרן על מפה אובלית של כלל השמים. פיזיקאים זיהו מבני חומר אפל על פי האופן בו כוח המשיכה שלהם עיוות את רקע המיקרוגלים הקוסמיים. אזורים הצבועים בכחול כהה צפופים יותר מאזורים בהירים. אזורים אפורים מייצגים היכן שאור מהגלקסיה שלנו היה בהיר מכדי שה-Planck יוכל למפות חומר מרוחק יותר. אילוסטרציה: מדע פופולארי.

הפיזור של חומר אפל ברחבי היקום, הנמדד על ידי הלווין Planck, מוקרן על מפה אובלית של כלל השמים. פיזיקאים זיהו מבני חומר אפל על פי האופן בו כוח המשיכה שלהם עיוות את רקע המיקרוגלים הקוסמיים. אזורים הצבועים בכחול כהה צפופים יותר מאזורים בהירים. אזורים אפורים מייצגים היכן שאור מהגלקסיה שלנו היה בהיר מכדי שה-Planck יוכל למפות חומר מרוחק יותר. אילוסטרציה: מדע פופולארי.

בחינת יקום הצללים

פינקביינר עובד במרכז הרווארד-סמית’סוניאן לאסטרופיזיקה, מבצר של מדענים שחוקרים את היקום באמצעות תצפיות. אם הולכים עשר דקות במורד רחוב גארדן, עושים את הדרך אל תוך מעבדת ג’פרסון הבנוייה מלבנים אדומות, ודופקים בדלתה של הפיזיקאית ליסה ראנדל מהרווארד, נכנסים לעולם של תאוריה. זה המקום בו רסיסי עולם הצללים עשויים להתחיל להתאחד יחד לתמונה אחת ברורה.

“זהו רעיון גדול וחדש, אז דיי מהנה לעבוד עליו”, אומרת ראנדל. היא מתייחסת לתאוריה חדשה, שנחשפה הקיץ, שנקראת ” דיסקת חומר אפל כפולה” (double-disc dark matter). השם, אשר נשמע כמו שם כושל של גלידת בן אנד ג’ריס, לא נותן לתאוריה כבוד גדול מדיי. מה שראנדל ושותפיה עשו הוא להסיר הרבה מההנחות שאסטרונומים ופיזיקאים הניחו בנוגע לחומר אפל, בעיקר מתוך רצון להגיע לפשטות.

רוב המדענים מניחים שחומר אפל הוא חלקיק אחד – אבל, ראנדל שואלת, מה אם הוא שניים או יותר המעורבים יחדיו? הם הניחו שחומר אפל הוא אדיש בעיקרו, בגלל שהוא כמעט ולא נקשר לחומר נראה לעין – אבל מה אם חומר אפל יכול להיות מורכב בדרכים עשירות ומורכבות? ראנדל מתארת את האפשרויות לסוג שני של חומר אפל, והשערות שעל צווארי מתחילות לסמור. “יכול להיות שיש אטומים, ויכול להיות שיש סוג מסויים של כימיה אפלה. יכול להיות שיש חפצים מרוכזים, ואז יכול להיות שהם נשברים לחלקים קטנים יותר”, היא אומרת. “הוא אפל ביחס לאור שלנו, אבל הוא עשוי לא להיות אפל ביחס לאור של עצמו”. ראנדל עברה מעבר למטאפורות. היא מתארת יקום אפל ממשי.

במבט החדש הזה, הרכיב האפל השולט הוא עדיין מפוזר וחסר צורה בעיקרו, בהתחשב בתנועות הגלקסיות שנצפו וכל שאר הראיות שביססו את קיומו של החומר האפל מלכתחילה. הרכיב האינטראקטיבי השני הוא שונה מאוד. הוא קורס בדיוק כמו חומר נראה וכך יוצר דיסקה אפלה המוטמעת בתוך הדיסקה הנראית של שביל החלב – לכן דיסקת חומר אפל כפולה. הדיסקה עשויה להישלט על ידי האינטראקציות והכוחות שלה עצמה. בעקרון, פיזיקה אפלה תוכל להוביל לכוכבים אפלים, כוכבי לכת אפלים, אפילו חיים אפלים. “יש כמה רעיונות עוד יותר מטורפים, ואנחנו עובדים עליהם”, אומרת ראנדל. “זה באמת עולם שלם חדש”.

ראנדל ושותפיה שאלו בהתחלה את השאלה – אם יכול להיות שחומר אפל מסויים עשוי להיות צפוף יותר, כפי שנראה שגילויי קרני הגמא ב-Fermi מעידים, בעוד הם עדיין לא נחשפים על ידי ניסויי זיהוי ישיר. התאוריה שלהם הייתה יכולה להסביר את שני החלקים: הדיסקה האפלה הייתה נמשכת יחד לתצורה מרוכזת ומושטחת, אבל היא הייתה מסתובבת במקביל לכדור הארץ ושאר היקום, כמו סוסים שכנים על קרוסלה. חלקיקים בדיסקה האפלה היו בקושי זזים יחסית אלינו ולכן לא היה יוצרים אפילו צפצוף במכשיר כמו ה-LUX. בהרחבה שטרם התפרסמה של תאוריית הדיסקה הכפולה, ראנדל ופיזיקאי MIT מת’יו מק’קולו אפילו מסבירים מדוע יש גלאים תת-קרקעיים שמזהים חומר אפל ואחרים שלא.

עבור מי שמבסס את מסקנותיו על נתונים בנחישות כמו ריק גייטסקל, העלאת התאוריות האלה נשמעת קצת טיפשית. “אם אני יכול לעשות פרפראזה של דברי ד”ר האוס מהטלוויזיה, לפעמים יש לך שתי תאוריות במקרה שאחת לא מסבירה את העניין, אבל זה משהו שאתה צריך לנסות להימנע ממנו”, הוא אומר. חואן קולר, יריבו של גייטסקל ב-COUPP, פתוח לגישה ההפוכה מבחינה פילוסופית: “אם היקום שאנחנו יכולים לתפוס הוא כל כך עשיר, למה שצידם האפל של הדברים לא יהיה עשיר באותה מידה ואף יותר?” עבור מדען חלקיקים כמו לייקן, יקום מלא במגוון סוגי חלקיקים אפלים נשמע לא רק אפשרי אלא גם הגיוני. “יש יותר חומר אפל מהחומר שאנחנו מכירים”, הוא אומר. “אז מדוע שחומר אפל לא יהיה מורכב לפחות באותה מידה?”

למרבה המזל, הרעיונות של ראנדל ברי בחינה, וגם כאן התשובה תוכל להגיע בתוך השנתיים-שלוש הקרובות – יכול להיות שאפילו לפני של-LUX, ל-LHC, ול-AMS תהיה הזדמנות לתרום את מסקנותיהם. אם יש דיסקה אפלה לצד הדיסקה הנראית של הגלקסיה שלנו, אמורה להיות לה השפעה מדידה על תנועתם של הכוכבים המקיפים אותה. טלסקופ חלל אירופאי חדש שנקרא Gaia, שמיועד – נכון לזמן הירידה לדפוס – לשיגור בנובמבר 2013, אמור להתחיל לבצע את המדידות האלה.

בדיוק כפי שפריץ זוויקי זכה לפני 80 שנה למבט חטוף על היקום האפל בזמן שעקב אחרי התנועות של גלקסיות, כך Gaia עשוי לחשוף עולם צללים מלא שיושב היישר לפנינו. מחשבותיי נסחפות חזרה אל הזירה מעל המכרה של טרוג’אן. גייטסקל ואני הבטנו למטה, מדמיינים את הזהב מתחתינו. יכול להיות שכל העת ההוכחות לקיומו של יקום צללים ריחפו לפני עיניינו, רק ממתינים שמישהו ישים לב אליהם בין הכוכבים.

קורי ס. פאוול הוא כתב חוץ של כתב העת Discover והעורך בפועל של American Scientist.


אוהבים מדע ולא מקבלים מספיק ממנו בגיקטיים? Popular Science ישראל וגיקטיים יוצאים בשיתוף פעולה במיוחד במסגרתו יוכלו 100 הגולשים הראשונים להנות מגיליון חינם של Popular Science מתנה, ללא כל התחייבות.  לפרטים נוספים

Avatar

מדע פופולארי

הגב

7 תגובות על "אחת התעלומות הגדולות ביותר במדע לקראת פיצוח"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
יניב
Guest

נשארתי מרותק על האות האחרונה. מדהים!

יניב
Guest

עד

סבדרמיש יהודה
Guest

חבל על הזמן. אין חומר אפל. הוא נוצר כדי לשנות את המסה הנימדדת בשטח כדי שתתאים לנתונים המחושבים מנוסחת הגרביטציה של ניוטון- איינשטיין. אבל כשיש אי התאמה בין הנתונים בשטח לבין המחושב בנוסחה יש לשנות את הנוסחה או אפילו להעיף אותה ולא לשנות את הנתונים הנימדדים עם תוספת של חומר הזוי- מסה אפלה.
נא להגיב בעדינות.
סבדרמיש יהודה

מיכאל
Guest

חבר,
עד שלא מוצעים סטירה או מוכיחים אחרת אתה לא יכול לדעת האם החומר האפל הוא אמיתי,

מה שכן המאמר מרתק :)

אלון
Guest
בלי להבין בזה יותר מידי, אני מאמין שחייב להיות חומר שהוא ההיפך מהחומר כפי שאנחנו מכירים, ואותו חומר מקיים יחס של דחייה כלפי החומר הלא אפל לעומת יחס של משיכה בין שני גופים מאותו סוג של חומר. כמו שזה קיים בין קטבים מגנטיים זהים או שונים או בין מטענים חשמליים זהים או שונים. בין החומר המוכר הלא אפל לבין החומר האפל מתקיים שדה כוח המשיכה או הדחייה. בגלל שאנחנו על כדור הארץ שהוא עתיר חומר רגיל , ייתכן שהוא דליל מאוד בכמות החומר האפל אם בכלל הוא קיים כאן. ייתכן שהחומר האפל מתקיים ככל שמתרחקים מכדור הארץ או ממערכת השמש… Read more »
יריב
Guest

איזו חפירה..

ran
Guest

SORRY FELLOW BUT……
I NEED TO UNDRSTAND SOMETHING FIRST
THE WORLD AS IT LOOKS NOW WILL NOT EXSIST MOST PROBEBLY BY THE TIME THIS TEORIES WILL BE PROOVE – IF……..
WE MUST INVEST IN REAL WORLD PROBLEMS
HIV & HANGAR TO START WITH
ONLY THEN MAY B PLAY THE BANG GAME

YES- THE HIGGS HIT MY BRAIN :(

wpDiscuz

תגיות לכתבה: