חלון הזדמנויות בשמיים

01.03.2002
פרופ' אלי וקסמן. חסם עליון לשטף הניטרינים
 
בני אדם מתבוננים בשמיים ומחפשים משמעות במשך כל ההיסטוריה של המין האנושי, ולמעשה עוד משחר הפרה-היסטוריה. בתחילה, כמובן, התבוננו בשמיים בעין עירומה. אחר כך בא זמנו של הטלסקופ האופטי, ואחריו באו טלסקופים ומתקני צפייה שבחנו את גרמי השמיים עלפי אורך הגלים האלקטרו-מגנטיים שהם פולטים, החל מגלי רדיו ואינפרא-אדום, ועד לקרינת גאמה, קרינה אולטרא-סגולה וקרינת X ("רנטגן"). תמונות היקום המתקבלות באורכי הגל השונים משלימות זו את זו, ומאפשרות הבנה טובה יותר של מבנים (צבירי גלקסיות, גלקסיות, ערפיליות) ותהליכים שונים ביקום.
 
בנוסף לתצפיות בתחומים השונים של הגלים האלקטרו-מגנטיים מתבוננים האסטרופיסיקאים ביקום גם כפי שהוא מצטייר באמצעות הקרינה הקוסמית, המורכבת מאלומות חלקיקים הנפלטות מגרמי השמיים השונים. בין אלה אפשר למנות פרוטונים, ניטרונים, אלקטרונים, חלקיקי אלפא, ואפילו ניטרינים. העניין הוא, שרוב החלקיקים האלה טעונים במטען חשמלי כלשהו, וכתוצאה מכך, מסלוליהם בדרך לכדור-הארץ מושפעים משדות מגנטיים וחשמליים שונים, שעוצמתם ומקומם ביקום אינם ידועים. לפיכך,קשה מאוד לעקוב אחר מסלוליהם של החלקיקים האלה עד למקורותיהם, דבר שמפחית במידה ניכרת את המידע שאפשר לאסוף באמצעותם על היקום.
 
במצב העניינים הזה גוברת מאוד האטרקטיוויות של חלקיקי הניטרינו, שאינם נושאים מטען חשמלי, ורק באחרונה התברר שכנראה יש להם מאסה מעטה מאוד (עד לאחרונה סברו המדענים כי הניטרינים הם חסרי מאסה לחלוטין). תצפיות ביקום כפי שהוא מצטייר על-פי אלומות הניטרינים הנעות בו ממקום למקום עשויות לספק מידע רב ערך על מיקומיהם של גרמי שמיים הפולטים ניטרינים, וכן על אופיים הפיסיקלי של מקורות הניטרינים, שהרחוקים ביניהם הם מגרמי השמיים הבהירים והאנרגטיים ביותר. הפיסיקאים מניחים שמקורות אלה עשויים להיות "מעבדות פיסיקליות ענקיות", כגון גרעינים פעילים של גלקסיות, הנתונים להשפעתו של חור שחור. אלא שגודל הסיכוי הוא כגודל הקשיים בדרך למימושו. והקושי העיקרי בתחום זה נובע מתכונה ייחודית נוספת של הניטרינים: אלה הם חלקיקים "סוציומטים" למדי, שכמעט אינם מקיימים אינטראקציות (יחסי גומלין)עם חלקיקי חומר אחרים שאתם הם באים במגע.
 
ההשערה בדבר קיומם של הניטרינים כיסוד נוסף של חלקיקי חומר בסיסיים הועלתה לראשונה על-ידי הפיסיקאי וולפגנג פאולי בשנות ה-30. הוא ביקש להציל באמצעותם את חוק שימור האנרגיה, שבאותו זמן נראה היה כאילו הוא מופר בתהליכים רדיו-אקטיוויים מסוימים. מאז העלאת ההשערה ועד לגילויים בפועל של הניטרינים חלפו שנים רבות, בעיקר מכיוון שכאמור, הניטרינים מקיימים עם סביבתם תקשורת מעטה במיוחד. למעשה, אמצעי ההגבה היחיד שלהם לסביבה הוא הכוח החלש, השולט בתהליכים רדיואקטיוויים שונים, כגון התפרקות הניטרון. אלא שכוח זה הוא כל כך חלש, עד שלמעשה, הניטרינים כמעט שאינם משאירים עקבות במסלוליהם. למשל, ניטרינו חוצה בדרכו את כדור הארץ, במשך שבריר שנייה, מבלי להתעכב. רק מעט מאוד מבין הניטרינים החולפים דרך כדור הארץ יפגשו בדרכם חלקיק חומר שאתו הם יקיימו "קשר" כלשהו, שאחר תוצאותיו אפשר יהיה לעקוב. לפיכך, כדי להבחין בניטרינים, ובאמצעותם ללמוד על גרמי השמיים שפלטו אותם, בונים הפיסיקאים גלאים ענקיים המכילים אלפי טונות של חומר שחלקיק ניטרינו אחד מבין טריליונים עשוי להתנגש בו, דבר אשר יתבטא בפרץ אור זעיר, שאפשר להבחין בו ועל-פיו ללמוד על מה שאירע (התנגשות חלקיק ניטרינו בחלקיק של חומר מכדור- הארץ).
 
בדרך זו הצליחו המדענים, וביניהם פרופ' ישראל דוסטרובסקי ממכון ויצמן למדע, להבחין בניטרינים שנפלטו מהשמש שלנו )תצפית שאישרה את התיאוריה על הדרך שבה מפיקים הכוכבים את האנרגיה שהם פולטים(. בניסויים נוספים נצפו חלקיקי ניטרינו שמקורם בסופרנובה קרובה יחסית שהתחוללה בענני מגלן, אחת הגלקסיות הסמוכות לגלקסיה שלנו, "שביל החלב". עם ההצלחה, כמו שאומרים, בא התיאבון, והאסטרו-פיסיקאים החלו לשאוף לצפות ביקום באמצעות גלאי ניטרינים שיוכלו לגלות ניטרינים בעלי אנרגיה גבוהה, אשר נפלטו ממקורות רחוקים ואנרגטיים ביותר, שאזורי ייצור האנרגיה שלהם אינם מאפשרים מעבר פוטונים, ולכן איננו יכולים לחקור אותם באמצעות מתקנים המבוססים על קליטת קרינה אלקטרו-מגנטית. למעשה, גלאי ניטרינים גדולים ויעילים מספיק עשויים לאפשר תצפיות ביקום כולו, כפי שהוא נראה ב"פילטר" אשר מבחין במקורות הפולטים חלקיקי ניטרינו. הפיסיקאים רואים באפשרות הזאת חלון הזדמנויות נדיר וחדש לגילוי עובדות חדשות על היקום ועל הכוחות הפועלים בו.
 
האם בניית מערכת כזאת של גלאי ניטרינים היא בגדר אפשרות מעשית? כדי לענות על השאלה הזאת יש לדעת מה שיעורו של שטף הניטרינים שמגיע ממקורות שונים לכדור-הארץ. וכאן בדיוק נכנס לתמונה פרופ' אלי וקסמן מהפקולטה לפיסיקה במכון ויצמן למדע. יחד עם פרופ' ג'ון בקל מאוניברסיטת פרינסטון הוא חישב ומצא, שקיים חסם עליון לשטף הניטרינים. משמעות החסם הזה )"חסם וקסמן-בקל"(היא, שכדי לגלות ניטרינים בעלי אנרגיה גבוהה יש צורך בגלאי שקוף שיכיל לפחות טריליון טונות נוזל. מסביב לגלאי השקוף יש לבנות מערך של גלאי אור. כך, כל התנגשות של חלקיק ניטרינו קוסמי שיתנגש בחלקיק חומר מכדור-הארץ תפיק הבזק אור זעיר שייקלט בגלאי האור ההיקפיים. מדובר במתקן הגדול בערך פי 20 ממגדל אייפל.
 
ושוב נשאלה השאלה, האם מדובר בפרויקט מעשי? האם אפשר להוציאו אל הפועל? ועדה בין-לאומית של מדענים, שבה השתתף פרופ' וקסמן, בוחנת את האפשרות לבנות גלאי ענק ושקוף כזה, למשל, בתוך כיפת הקרח המכסה את הקוטב הדרומי של כדור הארץ, ביבשת אנטארקטיקה. מתברר, שבעומק כיפת הקרח המכסה את אנטארקטיקה, הקרח שקוף לחלוטין, כך שאפשר להשתמש בו לבניית הגלאי. אפשרות נוספת לבנות טלסקופ של ניטרינים באנרגיות גבוהות היא להציב את הגלאי בעומק הים התיכון )בעומק רב, מי הים הם שקופים(. כך או אחרת, עלות הפרויקט הזה מוערכת בכ -100מיליון דולר, סכום קטן מהסכומים הנדרשים כיום לבניית מאיצי החלקיקים המתקדמים אשר נחוצים למחקרי ההמשך בתחום הפיסיקה של החלקיקים האלמנטריים.
 
מה אפשר יהיה ללמוד באמצעות הגלאים הענקיים האלה? פרופ' וקסמן: "כאשר פרוטון של הקרינה הקוסמית פוגע בפוטון, נפלט חלקיק ניטרינו. אם נוכל לגלות את הניטרינים האלה, נוכל לשרטט את אתרי התנגשות האלה, ובאמצעותם לעקוב אחר הקרינה הקוסמית עד למקורה, שהוא, כיום, אחת התעלומות הגדולות בתחום האסטרופיסיקה".
 
תעלומה נוספת שעשויה לבוא על פתרונה באמצעות האסטרונומיה של ניטרינים באנרגיות גבוהות היא מקורם של פרצי קרינת גאמה המופיעים ביקום מפעם לפעם. פרופ' וקסמן, פרופ' ג'ון בקל מאוניברסיטת פרינסטון ופרופ' פיטר מזרוש אוניברסיטת פנסילווניה הראו במחקריהם העיוניים, שמקורותיהם של פרצי קרינת הגאמה האלה עשויים להיות סילוני חומר המתפרצים בעת שחור שחור סופח אליו את החומר השיורי של הכוכב, שהוא עצמו נוצר כתוצאה מקריסת ליבתו. באותו תהליך נפלטים גם חלקיקי ניטרינו עתירי אנרגיה, והיכולת "לראותם" עשויה להוביל את החוקרים למקורותיהם של פרצי קרינת הגאמה. בנוסף לשתי התעלומות האלה עשויים גלאי הניטרינים הענקיים לבחון כמהמהנחות הבסיס של תורת היחסות הכללית, באמצעות השוואת מהירותם של הניטרינים האנרגטיים למהירותם של פוטונים המגיעים מאותו המקור. בדרך זו אפשר יהיה לזהות, בין היתר, השפעות )האטת מהירות( של חלקיקים העוברים בשדות כבידה המאיטים את תנועתם.
 
כדי לבחון את האפשרות הזאת נבנה באחרונה בקוטב הדרומי מתקן ענק לגילוי ניטרינים, השקוע עמוק בתוך כיפת הקרח האנטארקטית. גודלו של גלאי זה, הגדול יותר ממגדל אייפל, הואכעשירית מגודלו של הגלאי הנדרש לפי חישוביו של פרופ' וקסמן. אפשרות בנייתו של הגלאי השלם נבחנת בימים אלה בידי צוות בין-לאומי של מדענים. פרופ' וקסמן משתתף בצוות הזה, ומטבע הדברים, הוא מקווה שבסופם של הדיונים יוחלט לפתוח לפני האסטרופיסיקאים את חלון ההזדמנויות החדש הזה.
 
 
 
גלאי AMANDA הקיים, שגודלו עשירית מהגלאי המתוכנן, בהשוואה לגודלו של מגדל אייפל
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם