חלון חדש אל השמש: נמדדו חלקיקי נייטרינו סולאריים באנרגיות הנמוכות ביותר אי פעם

בכל שנייה חולפים דרך כל סנטימטר רבוע של כדור-הארץ – וגם דרך גופנו – עשרות מיליארדי חלקיקי נייטרינו הנוצרים בתהליכי ההיתוך הגרעיני בשמש. אף שהם בין החלקיקים הנפוצים ביותר הנפלטים מהשמש, הם חמקמקים במיוחד: הם כמעט שלא מקיימים אינטראקציה עם החומר הנקרה בדרכם ועובדה זו הופכת את גילויים לאחד האתגרים הניסויים הגדולים בפיזיקה של חלקיקים.

כעת מתקדם התחום צעד קדימה: פרויקט המחקר הבינלאומי XENONnT מכריז היום על תצפית ראשונה מסוגה של חלקיקי נייטרינו מהשמש. המדידה החדשה מרחיבה את גבול היכולת לתצפית ישירה בחלקיקי נייטרינו עד לאנרגיות של כ-17 קילו-אלקטרון-וולט (keV) – סף האנרגיה הנמוך ביותר שהושג עד כה במדידת נייטרינו. מרבית הנייטרינו שנמדדו נוצרו בתגובות היתוך בין פרוטונים שהם גם הרוב המכריע של חלקיקי הנייטרינו הנפלטים מהשמש. בפרויקט המחקר שותפות קבוצות מחקר מ-30 מוסדות אקדמיים מובילים ברחבי העולם ובהם גם קבוצת המחקר של פרופ' רני בודניק במחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע.

XENONnT תוכנן במקור לחיפוש ישיר אחר חלקיקי חומר אפל בגלקסיה שלנו. חומר אפל, המהווה לפי ההערכות כ־85% מכלל החומר ביקום, הוא חומר שאיננו יכולים לראות ישירות, אך מדענים מסיקים את קיומו מהשפעת הכבידה שלו על החומר הנראה. החיפוש אחר החלקיקים שלו הוא אחד האתגרים הגדולים בפיזיקה המודרנית. לשם כך נבנה גלאי המכיל 5.9 טונות של קסנון נוזלי טהור במיוחד, המותקן במעבדה תת-קרקעית בעומק של כ-1,400 מטר מתחת להר גראן סאסו באיטליה. הגלאי מוקף במכלי מים המסייעים לזהות ולסנן אותות שמקורם בקרינה קוסמית, והוא מסוגל לזהות הבזקי אור ואותות חשמליים זעירים הנוצרים כאשר חלקיק כלשהו מקיים אינטראקציה עם הקסנון.

כדי לצפות באות החלש של הנייטרינו באנרגיות נמוכות ברמת מובהקות של 5 סיגמא – הרף הסטטיסטי המקובל בפיזיקת החלקיקים להכרזה על תגלית – נדרשו החוקרים לא רק להפחית את רעשי הרקע בגלאי לרמות נמוכות וחסרות תקדים, אלא גם למדוד ולאפיין אותם במדויק. אחד ממקורות הרעש העיקריים הוא כמויות זעירות של ראדון רדיואקטיבי הנפלט ללא הרף מהחומרים שמהם בנוי הגלאי. לאורך השנים פיתחו חוקרי XENON שיטות מתקדמות לצמצום רעשי הרקע, ובהן בחירה קפדנית של החומרים שמהם בנוי הגלאי ומערכת ייעודית הפועלת ברציפות ומסלקת את הראדון מהקסנון. במקביל, זיהו החוקרים ומדדו במדויק מקורות נוספים של רעשי רקע רדיואקטיביים.

""הגענו לעידן שבו אנחנו מסוגלים לראות דברים שבעבר היו מחוץ להישג ידנו, ותמיד מרתק לגלות מה מחכה לנו שם – בין אם זה מה שציפינו למצוא, ועוד יותר אם זה משהו שלא ציפינו לו"

לאחר שבאחרונה נמדדו באמצעות הגלאי חלקיקי נייטרינו מהשמש באנרגיות גבוהות יותר, המדידה החדשה מראה כי אותו גלאי יכול לחקור היבטים משלימים של פיזיקת הנייטרינו, ובמקביל להמשיך במשימתו המרכזית – החיפוש אחר חומר אפל. בכך הופך XENONnT לאחד ממצפי החלקיקים הרגישים בעולם לחקר אינטראקציות נדירות באנרגיות נמוכות.

הטכנולוגיות שפותחו במסגרת XENONnT ישמשו בסיס לדור הבא של גלאים המבוססים על קסנון נוזלי. ניסוי XLZD המתוכנן, שיכיל כמות קסנון גדולה פי עשרה מזו שב-XENONnT, נועד להרחיב את החיפוש אחר חומר אפל לרמות רגישות חסרות תקדים ולאפשר מדידות מדויקות במיוחד של נייטרינו סולאריים באנרגיות נמוכות, לצד חקר תהליכים נדירים נוספים בפיזיקת החלקיקים.

"התצפית החדשה ממחישה כיצד ההתקדמות הטכנולוגית שנולדה מתוך החיפוש אחר חומר אפל פותחת בפנינו חלונות חדשים אל היקום", אומרת פרופ' אלנה אפרילה מאוניברסיטת קולומביה, המכהנת כדוברת הפרויקט. "הממצאים מעידים על כך שטכנולוגיות שפותחו במקור כדי לצפות בכמה מהאינטראקציות הנדירות ביותר בטבע מאפשרות לנו כיום לחקור שאלות יסוד החורגות מהמטרות המדעיות שלשמן פותחו".

אומר פרופ' בודניק ממכון ויצמן: "המדידה החדשה היא מצד אחד הזדמנות שנקרתה בדרכנו הודות לרגישות הגילוי הגבוהה ורעשי הרקע המינימליים שהשגנו במסגרת החיפוש אחר חומר אפל, אבל בו-בזמן הפיזיקה של אירועים נדירים, ובהם נייטרינו, הולכת והופכת עבורנו למטרה מדעית בפני עצמה, עם תוצאות מרתקות כמו אלה שאנחנו מציגים כעת ותוצאות נוספות שבדרך".

פרופ' בודניק החבר בין היתר גם בוועדה המדעית האחראית על הפרסומים של שותפות XENON מוסיף: "הגענו לעידן שבו אנחנו מסוגלים לראות דברים שבעבר היו מחוץ להישג ידנו, ותמיד מרתק לגלות מה מחכה לנו שם – בין אם זה מה שציפינו למצוא, ועוד יותר אם זה משהו שלא ציפינו לו".