כבר כמעט מאה שנה מחפשים מדענים ברחבי העולם אחר החומר האפל – חומר בלתי נראה הדרוש כדי להסביר תופעות פיזיקליות רבות ואחראי לכאורה ל-80% מהמסה ביקום. עד כה נוסו שיטות רבות למציאתו – מניסיון ליצור חומר אפל במאיץ חלקיקים ועד לחיפוש בחלל אחר קרינה קוסמית הנפלטת ממנו – ועדיין מעט מאוד ידוע עליו. אף שהוא פועל במחשכים, ההנחה היא שהחומר האפל משפיע על החומר הנראה, אך השפעה זו עדינה מכדי שניתן יהיה למדוד אותה כיום. מדענים משערים כי אם יפותח בעתיד שעון גרעיני, המשתמש בגרעין האטום למדידה מדויקת ועקבית של זמן, סטיות מזעריות במחוגיו עשויות לחשוף השפעה זו. בשנה שעברה, רשמו פיזיקאים מגרמניה ומקולורדו פריצת דרך לקראת שעון גרעיני המבוסס על החומר הרדיואקטיבי תוריום-229. כששמעו על הממצאים בקבוצת הפיזיקה התאורטית של פרופ׳ גלעד פרז במכון ויצמן למדע, הם זיהו כי עוד בטרם נבנה שעון גרעיני, נוצרה הזדמנות חדשה לחיפוש אחר חומר אפל. במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Physical Review X, בשיתוף עם המדענים מגרמניה, הם מציגים שיטה חדשה לזהות את השפעת החומר האפל וללמוד על תכונותיו ברזולוציה גבוהה מאי-פעם.
כאשר דוחפים ילד בנדנדה יש תדירות נדנוד מסוימת המאפשרת תנודה עקבית ומיטבית, מעלה ובחזרה לקרקע – אם נדחף את הנדנדה בתדירות גבוהה או נמוכה יותר, היא תנוע פחות, תנועתה תהיה לא עקבית, וחלק מהאנרגיה תתבזבז. ממש כמו לנדנדה גם לגרעין אטום ישנה תדירות תנודה מיטבית, המכונה בפיזיקה תדירות תהודה; קרינה בתדירות זו ״מנדנדת״ היטב את הגרעין בין שני מצבים קוונטיים – מצב בסיסי ומצב אנרגיה גבוהה. כמעט בכל החומרים, תדירות התהודה של גרעיני האטומים גבוהה ונדרשת קרינה חזקה למדי לנדנדם. בשנת 1976 התגלה כי גרעין האטום תוריום-229 – תוצר לוואי של תוכנית הגרעין של ארה"ב – הינו יוצא דופן. תדירות התנודה הטבעית שלו מתאימה לקרינה על-סגולה (UV) חלשה יחסית, שניתן להקרין באמצעות לייזר רגיל. כך, הפך תוריום-229 למועמד מבטיח להרכיב את המנגנון של שעון גרעיני, שבו מודדים את הזמן דרך ״נדנוד״ גרעין אטום בין מצבים קוונטיים, משל היה מטוטלת.
״שעון גרעיני יהיה החיישן האולטימטיבי. הוא יאפשר לזהות כוחות חלשים פי 10 טריליון מכוח המשיכה – רזולוציה טובה פי 100,000 מזו שזמינה לנו כיום בחיפוש אחר חומר אפל״
ואולם, פיתוח השעון הגרעיני נתקע בשלב הראשון, שבו נדרש לתזמן במדויק את תדירות התהודה שבה מתנדנד תוריום-229. כשפיזיקאים מחפשים תדירות תהודה של גרעין אטום, הם מקרינים עליו לייזר בתדירויות משתנות ומודדים בכל פעם כמה אנרגיה נבלעה בו ונוצלה לתנודה בין מצבים קוונטיים. בסיום כל ניסוי הם מרכיבים ספקטרום בליעה, והקרינה שבה התקבל שיא הבליעה היא למעשה תדירות התהודה המשוערת. לאורך כמעט חמישה עשורים, מדידות תדירות התהודה של תוריום-229 לא היו מדויקות מספיק עבור הפיתוח של שעון גרעיני. בשנה שעברה היו שתי קפיצות מדרגה בתחום: תחילה פרסמה קבוצה ממכון PTB בבראונשווייג שבגרמניה מדידות מדויקת יחסית, וחודשים בודדים אחר כך הציגה קבוצה מאוניברסיטת קולורדו תוצאות מדויקות פי כמה מיליונים.
״עדיין נדרש דיוק נוסף במדידות לפיתוח שעון גרעיני, אך זיהינו שכבר בשלב זה נוצרה הזדמנות לחקר החומר האפל״, מתאר פרופ׳ פרז. "ביקום שבו יש רק חומר נראה, ללא חומר אפל הפועל ברקע, התנאים הפיזיקליים וספקטרום הבליעה של כל חומר אינם משתנים. ואולם, בהינתן חומר אפל המקיף אותנו, ביכולתו לשנות את המסה של גרעיני אטומים ובכך לגרום לשינויים זמניים בספקטרום הבליעה שלהם. לפי מודל תיאורטי מוביל, החומר האפל מורכב מאינספור חלקיקים אולטרה-קלים הגורמים לשינויים מחזוריים עדינים מאוד במסת גרעיני אטומים. לכן, שיערנו כי האפשרות לזהות בדיוק רב סטיות בספקטרום הבליעה של תוריום-229, תוכל להוציא לאור את השפעת החומר האפל ולחשוף את תכונותיו".
חישובים תאורטיים שערך צוות המדענים, בהובלת ד"ר וולפראם רצינגר מקבוצת המחקר של פרופ׳ פרז, הראו שניתן לזהות במדידות החדשות עדות להשפעתו של החומר האפל גם אם היא קטנה פי מאה מיליון מהשפעת כוח המשיכה, שהוא בעצמו חלש יחסית ואנו בקושי מרגישים אותו ביום יום. ״זו טריטוריה שבה לא חיפשו עדיין חומר אפל״, מסביר ד״ר רצינגר. ״החישובים שלנו מראים כי לא מספיק לחפש סטיות בתדירות התהודה, אלא יש להבחין בשינויים בכל ספקטרום הבליעה כדי להבחין בהשפעת החומר האפל. אומנם לא איתרנו עדיין את אותם שינויים, אך הכשרנו את הקרקע להבין אותם אם יתגלו. לכשתופיע סטייה במדידות, נדע לנתח על בסיס התדירות שבה אותה סטייה מופיעה והעוצמה שלה, מה המסה של חלקיק החומר האפל שגרם לה. בהמשך המחקר, חישבנו כיצד כל מודל של חומר אפל אמור להשפיע על ספקטרום הבליעה של תוריום-229, ואנו מקווים שזה יאפשר בעתיד להכריע אילו מודלים נכונים ומה תכונות החומר האפל״.
בינתיים, במעבדות ברחבי העולם ממשיכים לנסות ולדייק עוד את מדידת תדירות התהודה של אטום תוריום-229, מאמץ שצפוי להימשך שנים. אם יפותח שעון גרעיני, הוא צפוי לחולל מהפכה בתחומים רבים, ובהם ניווט בכדור-הארץ ובחלל, תקשורת, רשתות חשמל ומחקרים מדעיים. כיום השעון המדויק ביותר הוא שעון אטומי, שבו מבוסס המנגנון על תנודה של אלקטרון בין שני מצבים קוונטיים. השעון הזה מדויק למדי אך יש לו חיסרון - הוא חשוף להפרעות חשמליות בסביבה ואובדן עקביות. גרעין האטום מוגן יותר מהפרעות.
