מדענים שמחפשים חומר אפל, צפו בדעיכה האטומית הנדירה ביותר שנמדדה עד כה

היקום הוא כבן 14 מיליארד שנה. משך זמן ארוך מאוד במונחים שלנו, אך הרף עין בהשוואה לתהליכים פיסיקליים מסוימים. למשל, קיימים גרעינים של אטומים רדיואקטיביים שמשך הדעיכה שלהם ארוך בהרבה. צוות מדענים בין-לאומי הצליח באחרונה למדוד באופן ישיר את זמן מחצית החיים הארוך ביותר שנרשם אי פעם בגלאי חלקיקים. באמצעות הגלאי XENON1T, אשר נועד בעיקר לזיהוי חומר אפל, הצליחו המדענים לראשונה לצפות בדעיכה של אטומי קסנון 124. מחצית החיים של חומר רדיואקטיבי היא משך הזמן שלאחריו מחצית מהאטומים הרדיואקטיביים שהיו בדגימה, פלטו את הקרינה שלהם – ודעכו. מחצית החיים שנמדדה לקסנון 124 ארוכה פי כטריליון מגיל היקום. עובדה זו הופכת את הדעיכה הרדיואקטיבית שנצפתה, של קסנון 124, לתהליך הנדיר ביותר שהתרחשותו נצפתה אי פעם בגלאי כלשהו. התוצאה החדשה מספקת מידע למחקר נוסף על אודות חלקיקי ניטרינו, הקלים ביותר מבין החלקיקים היסודיים שאופיים טרם הובן במלואו. XENON1T הוא פרויקט ניסיוני משותף לכ-160 מדענים ממדינות רבות. תוצאות המדידה פורסמו בכתב-העת המדעי Nature.

מחפשים חומר אפל

אחת המעבדות שבהן עוסקים כיום מדענים בחיפוש אחר חלקיקי חומר אפל, ממוקמת כ-1,500 מטר מתחת להרי גראן סאסו שבאיטליה, מוגנת היטב מקרינה רדיואקטיבית שעלולה לייצר אותות שווא. חישובים תיאורטיים מנבאים שחומר אפל, לעתים נדירות ביותר, "מתנגש" עם אטומי הגלאי. זוהי הנחת היסוד לעיקרון העבודה של גלאי XENON1T: חלקו המרכזי מורכב ממכל גלילי באורך כמטר הממולא ב-3,200 ק"ג של קסנון נוזלי בטמפרטורה של מינוס 95 מעלות צלזיוס. ההנחה היא שאם חלקיק של חומר אפל יתנגש באטום של קסנון, הוא יעביר אנרגיה לגרעין האטום, שכתוצאה מכך "יעורר" אטומי קסנון נוספים. אם וכאשר זה יקרה, ייפלטו מאיזור המגע אותות חלשים של אור אולטרה-סגול, שייקלטו בגלאי.

את הקבוצה ממכון ויצמן למדע, המשתתפת בניסוי, מוביל ד"ר רני בודניק, ואיתו מדעני הסגל ד"ר הגר לנדסמן וד"ר לורן לוינסון, תלמיד המחקר גרא קולטמן והחוקר הבתר-דוקטוריאלי האנג קיו יחד עם תלמידי המחקר (בעבר) ד"ר רן אתי וד"ר נדב פריאל והחוקר הבתר-דוקטוריאלי אלסנדרו מנפרדיני.

המחקר החדש מראה כי גלאי XENON1T מסוגל גם למדוד תופעות פיסיקליות נדירות אחרות, כמו "לכידת אלקטרונים כפולה". גרעין של אטום מורכב בדרך כלל מפרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי, וניטרונים ניטרליים. את הגרעין מקיפות מעין "קליפות" שבהן נעים אלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי. בקסנון 124, למשל, יש 54 פרוטונים ו-70 ניטרונים. בתהליך הקרוי "לכידת אלקטרונים כפולה", שני פרוטונים בגרעין "לוכדים" באותה עת שני אלקטרונים מהקליפה האטומית הפנימית ביותר. כתוצאה מכך הם הופכים לשני נויטרונים, ופולטים שני חלקיקי ניטרינו. יתר האלקטרונים באטום מתארגנים מחדש כדי למלא את שני ה"חורים" או ה"חוסרים" שנוצרו בקליפה הפנימית ביותר. האנרגיה המשתחררת בתהליך זה נישאת באמצעות קרני X ("רנטגן") ואלקטרוני אוז’ה (Auger). עם זאת, קשה מאוד  לזהות את האותות האלה, מכיוון שלכידת אלקטרונים כפולה היא תהליך נדיר מאוד הממוסך על-ידי אותות רדיואקטיביים "רגילים".

המדידה

במדידה המתוארת, קרינת ה-X מלכידת האלקטרונים הכפולה בקסנון הנוזלי הפיקה אור ראשוני וכן אלקטרונים חופשיים. האלקטרונים הוסעו לחלקו העליון, הממולא גז, של הגלאי, שבו הם יצרו אות אור נוסף. הפרש הזמנים בין שני האותות תואם לזמן שנדרש לאלקטרונים להגיע לחלקו העליון של הגלאי. המדענים השתמשו במרווח זמן זה ובמידע שמקורו בחיישנים שמודדים את האותות, וכך הצליחו לשחזר את מיקום לכידת האלקטרונים הכפולה. האנרגיה המשתחררת בדעיכה נגזרה מעוצמת שני האותות. כל האותות של הגלאי תועדו לאורך יותר משנה. הודות להבנה מפורטת של כל המקורות הרלוונטיים של אותות הרקע, התברר כי כ-126 אירועים שנצפו בנתונים אכן נגרמו על-ידי לכידת אלקטרונים כפולה של קסנון 124.

"המדידה הנוכחית תאפשר להבין טוב יותר את מבנה הגרעין, והבנה זו עשויה לסייע בחיפוש 'פיסיקה חדשה'. המדידה מדגימה את היכולות המרשימות של הגלאים האלה, ואת העובדה שבחיפוש אחר החומר האפל אנחנו עשויים לפתור תעלומות אחרות"

ד"ר רני בודניק אומר: "אמנם הפיסיקה ששולטת בהתפרקות הנדירה הזאת היא חלק מן המודל הסטנדרטי, אבל איננו יכולים לחשב את ההסתברות להתחוללות התהליך הזה, בשל מורכבות הפיסיקה של הגרעין. המדידה הנוכחית תאפשר להבין טוב יותר את מבנה הגרעין, והבנה זו עשויה לסייע בחיפוש 'פיסיקה חדשה', שאולי תגלה את המנגנון שמעניק מאסה קטנה לחלקיקי הניטרינו החמקמקים. המדידה מדגימה את היכולות המרשימות של הגלאים האלה, ואת העובדה שבחיפוש אחר החומר האפל אנחנו עשויים לפתור תעלומות אחרות".

ניסוי XENON1T אסף נתונים משנת 2016 ועד סוף פעילותו בדצמבר 2018. כעת מכינים המדענים את השלב הבא – XENONnT, אשר יכלול גלאי בעל מאסה פעילה גדולה פי שלושה, עם הפחתה משמעותית ברעש הרקע, דבר שיגביר במידה רבה את רגישות הגלאי