מבט אל הלא נודע

מדעני המכון שותפים במאמץ בין-לאומי, שבמסגרתו הוטמן גלאי ייחודי מתחת להר באיטליה. עד כה לא התגלה חומר אפל, אבל המדענים נחושים לפתור את התעלומה.

כשמדענים מחַשבים את המאסה הנדרשת על מנת לשמור על הגלקסיות ועל צבירי הגלקסיות בתנועה מסונכרנת, אפשר להבין שהחומר הנראה מהווה שבריר קטן מהסכום הכולל. חישובים אלה, המבוססים על פיסיקה פשוטה, מראים כי כמות החומר האפל ביקום גדולה בהרבה מזו של החומר שאפשר למדוד. למרות היותו בלתי-נראה לחלוטין עד כה לכל אורכי-הגל הידועים, התיאוריות המתקדמות ביותר קובעות שהוא נוכח בכל רחבי היקום, כולל סביבת כדור-הארץ.

כדי לנסות לפתור את תעלומת החומר האפל התאגדו יותר מ-100 מדענים מעשר מדינות, והקימו מתקן ניסוי שנבנה במיוחד למטרה זו, המתבסס על קסנון טהור במצב צבירה נוזלי לזיהוי חלקיקי חומר אפל. מדענית הסגל ד"ר הגר לנדסמן-פלס, מקבוצתו של ד"ר רן בודניק במכון ויצמן למדע, שותפה למאמץ זה, והיא תורמת מניסיונה לפרויקט, ולפרויקטים המקומיים המתנהלים במעבדה, בתחומי פיתוח גלאים, מערכות איסוף נתונים וגלאֵי אור, וכן בניתוח נתונים ובסימולציה.

גלאֵי ענק אלה, בין אם הם מיועדים לזיהוי חומר אפל ובין אם למדידת חלקיקים אסטרופיסיקליים אחרים, צריכים להיות נקיים מרעש רקע. לשם כך קוברים אותם עמוק באדמה – כדי שהם יוכלו לסנן את רוב החלקיקים הנפוצים אשר "מפציצים" ברציפות את פני כדור-הארץ. עליהם להיות בעלי סף גילוי נמוך ככל שאפשר, ובה בעת יש להבין את יתרת רעשי הרקע שמהם אי-אפשר להיפטר. זיהוי החלקיקים מתבצע באמצעות אור חלש הנפלט כתוצאה מהאינטראקציה של החומר האפל עם חומר המצוי בגלאי, והמדידה מתבצעת באמצעות מערכי גלאים אופטיים רגישים הקרויים PMTs (Photo Multiplier Tubes). גלאים אלה כה רגישים, עד שהם מסוגלים לזהות פוטון בודד – כמות אור הדומה לכמות האור שתגיע לכדור-הארץ מנר הניצב על פני הירח.

בניסוי בשם XENON100 הוצב מְכַל בתוך מנהרה בבטן הר גראן סאסו שבאיטליה. המְכַל מלא ב-161 קילוגרמים של קסנון טהור במצב נוזלי (היסוד האציל היציב הכבד ביותר שאינו רדיואקטיבי), אשר מוקפים בגלאֵי אור הצופים על הנוזל. אם וכאשר חלקיק חומר אפל יבוא במגע עם אחד מאטומי הקסנון, ייפלטו מהקסנון פוטונים, וכן כמות קטנה של אלקטרונים, ודבר זה יגרום הבזק אור חלש ביותר – שייקלט בגלאים. עד כה לא זוהו חלקיקים אלה, אבל אין זה אומר שהם אינם קיימים. ד"ר לנדסמן-פלס, אשר מובילה את הניתוח הסטטיסטי בפרויקט בסיועו של ד"ר אלסנדרו מנפרדיני, משתמשת בשיטות הסקה מתקדמות שפיתחו פרופ' עילם גרוס וד"ר עופר ויטלס ממכון ויצמן למדע. ביחד עם תלמיד המחקר נדב פריאל היא מפתחת גישה רב-ממדית לטיפול בהסקה סטטיסטית, המשלבת נתונים ומדידות כיול בהנחת רעש רקע משתנה.

דור ההמשך של XENON100, הקרוי Xenon 1T, יאפשר חיפוש ברגישות העולה עד פי 100 בהשוואה לגלאים שהיו קיימים עד כה. מכון ויצמן למדע הוא שותף פעיל בבנייה ובתכנון של גלאי ענק זה, וד"ר לנדסמן-פלס, בשיתוף עם פרופ' אהוד דוכובני מהמכון, הובילו את התכנון והבנייה של המעטפת החיצונית של הגלאי – גליל בגובה של כ-10 מטרים שקוטרו דומה.

בעבודה המקומית, במעבדתו של ד"ר בודניק, משתתפת ד"ר לנדסמן-פלס בפיתוח דור חדש של גלאים לזיהוי חומר אפל, באמצעות זיהוי מרכזי צבע זוהרים בקריסטלים טהורים. היא מבצעת עבודה זו בשיתוף עם פרופ' תומר וולנסקי ופרופ' אורי צ'שנובסקי מאוניברסיטת תל-אביב. פרויקט נוסף הוא מערכת ניסוי קריוגנית ייחודית, שתאפשר מיפוי ואיפיון של האינטראקציה בתוך הקסנון הנוזלי ברזולוציה חסרת-תקדים. את המערכת, אשר מצריכה מערכות אופטיות וקריוגניות מתקדמות, וכן מערכת איסוף נתונים יעילה, מתכננים החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר מון-מון דבי ותלמיד המחקר רן אתי.

נוסף על כל אלה שותפה ד"ר לנדסמן-פלס בפרויקט נוסף בקוטב הדרומי. הפרויקט, הקרוי ARA, ישתרע על שטח של 100 קילומטרים רבועים, ויוצבו בו גלאֵי רדיו במרחק של קילומטר זה מזה. "ה-ARA היא רשת ענקית, המתוכננת לתפוס דגים שמנים במיוחד – חלקיקי ניטרינו בעלי אנרגיות גבוהות", אומרת ד"ר לנדסמן-פלס.