מעבדת ענק סינית שנבנית מתחת לאדמה תנסה לפצח ראשונה את אחת מתעלומות היקום

בכל שנייה חולפים דרכנו, בלי שנרגיש, כ־100 טריליון חלקיקי ניוטרינו, או ניוטרינים ברבים. הם קטנים וקלים וכמעט שאינם מקיימים אינטראקציה עם חלקיקים אחרים. פיזיקאים מכנים אותם "חלקיק הרפאים", כי הם חולפים דרך החומר כמו רוחות רפאים, בלי להשאיר סימן. נהוג לומר שניוטרינו אחד יצטרך לעבור דרך פלדה באורך שנת אור כדי לייצר אינטראקציה אחת.

"כיוון שהניוטרינו יוצרים אינטראקציה לעתים כל כך נדירות - יש כאלה שלא עשו זאת כבר מיליוני שנים, אפילו ממש משחר היקום - הם מכילים מידע מתקופות מאוד מוקדמות, מידע שאין לנו שום דרך אחרת לגלות", אומרת פרופ' שקמה ברסלר, מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע.

 פרופ' שקמה ברסלר, מכון וייצמן / צילום: איתי בלסון

"המודל הסטנדרטי" בפיזיקה מסביר באופן כמעט מושלם את ההתנהגות של החלקיקים האחרים המרכיבים את החומר שממנו עשוי האטום, אבל מרגע שהתגלו חלקיקי הניוטרינו, היה ברור שהם מתנהגים אחרת. כלומר, המודל זקוק להרחבה ואנחנו זקוקים לפיזיקה חדשה. זה ממש לא מתסכל את החוקרים, אלא מרגש אותם. "חלקיקי ניוטרינו הם מוט הברזל שבאמצעותו אנחנו מנסים לפרוץ את הקופסה שמכילה את הפיזיקה החדשה הזאת", אומר פרופ' גיא רון, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית.

 פרופ' גיא רון, האוניברסיטה העברי / צילום: תמונה פרטית

ניוטרינים הם תחום המחקר החם בפיזיקת החלקיקים היום. מתקני מחקר עצומים בגודלם מוקמים במקומות אסטרטגיים בעולם, רק כדי לתעד את הרגעים המעטים שבהם ניוטרינו מועיל בטובו ליצור קשר עם חלקיקים אחרים. "זה זמן מצוין להצטרף לעולם הפיזיקה כי אנחנו בטוח הולכים ללמוד דברים חדשים. עיני כל הקהילה המדעית נשואות לניסויים האלה", אומרת ד"ר עדי אשכנזי, מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב.

"מזל שלא הייתה שם עיר"

מתקן המחקר שצפוי להתחיל לפעול ראשון הוא JUNO הסיני, הנבנה בימים אלה בהשקעה של 376 מיליון דולר. אם הכול ילך כשורה והמתקן יתחיל במדידות עד סוף השנה, הוא צפוי לקלוט לאורך שש שנים סך הכול 100,000 אינטראקציות של ניוטרינו - אינטראקציות ספורות בלבד בכל יום, אבל למדע הן שוות זהב.

המתקן נבנה בעומק 700 מטר מתחת להר גרניט, באזור קייפינג (Kaiping) שבדרום סין, מערבית לשנזן. המיקום המדויק נקבע בעקבות המרחק שלו משני כורים גרעיניים. הפיזיקאים רוצים לנצל את העובדה שהכורים האלה מייצרים זרם צפוי וחזק של ניוטרינים, במרחק ברור וידוע מהגלאי.

"מרגע שזיהינו את הכורים הללו כמקור הרצוי לניוטרינו, היה רק אתר אחד במרחק הנכון לבצע את המדידה, שהוא גם מכוסה באבן חזקה מספיק כדי לחפור בו והמתקן יהיה יציב", אמר פרופ' וונג יפנג מהאקדמיה הסינית למדעים ומהמכון לפיזיקה באנרגיות גבוהות בסין בהרצאת אורח שנשא אתמול במאיץ החלקיקים CERN. "מזל שלא הייתה שם עיר".

הגלאי עצמו הוא בצורת כדור בקוטר 35 מטר, ובתוכו כ־20 אלף טון תערובת נוזל שתוכנן כך שכאשר הניוטרינו סוף סוף ישפיע על אחד החלקיקים שבתוכו ייפלט הבזק אור. הבזקי האור הללו הם מה שימדדו החוקרים.

בתחילת מרץ כבר החל המילוי של דגם מוקטן של הגלאי, ובו 18 טון מים "בלבד". בניית דגם מוקטן היא חשובה כדי לוודא שהנוזל טהור, כלומר, אינו מכיל חומר רדיואקטיבי בעצמו, מה שיכול ליצור רעש, וכן כדי לוודא שהאינטראקציה אכן מתרחשת. מרגע שיתחילו בוני המתקן לשפוך את כמויות הנוזל האדירות פנימה לגלאי, יהיה מאוד קשה לסגת.

לו הייתם מבקרים בתוך הכדור לפני שמוזרם לתוכו הנוזל, הייתם מרגישים כאילו עיניים ענקיות מביטות בכם מכל עבר. אלה הן שפופרות גילוי האור הרגישות מאוד, שיקלטו את הבזקי האור הקטנים שתשחרר האינטראקציה של הניוטרינו עם הנוזל. הדופן הפנימית של הכדור מורכבת מ־40 אלף שפופרות כאלה.

מלבד המים במתקן, היו צריכים מהנדסי המתקן להתמודד גם עם 500 קילוטון מי תהום שנשאבו מהאזור לפני שניתן היה להתחיל לבנות. הם הוחלפו חלקית במים מזוקקים המגינים על המתקן מרעש חיצוני. סילוק המים, שלפעמים זרמו במהירויות אדירות, התגלה כאתגר אדיר ודחה את תחילת הפרויקט בשלוש שנים.

"המטרה היא לעשות סטטיסטיקה על מדידות מאוד מאוד חלשות. זה אומר שהניסוי חייב לרוץ באופן יציב, עם מינימום הפרעות לאורך שנים. למשל, חשוב שלא יהיה שינוי בפעילות של הכורים. בניסוי חלקיקים אחר ביפן, פעילות הכורים במדינה נעצרה לאחר אסון פוקושימה. הכורים הללו לא נולדו בשביל הניסוי ויש למפעילים שלהם את השיקולים שלהם".

"תחרות בריאה בין מדינות"

גלאי נויטרינו נוספים הולכים ונבנים גם ביפן, שם צפויה הפעילות להתחיל ב־2027, ובארה"ב, שתצטרף רק ב־2031. שני הגלאים האלה ינסו לייצר בעצמם את הניוטרינים שלהם באמצעות מאיצי חלקיקים, כדי לשמור על אחידות וגם כדי לראות תופעות מעט שונות. הגלאי היפני ישתמש במים מזוקקים במקום בתערובת הנוזל שבה משתמשים הסינים, ואילו האמריקאים ישתמשו בארגון נוזלי.

התחרות בין המדינות, שקשורה גם למתחים הגיאופוליטיים ביניהן, אינה מורגשת באופן ישיר בקהילה המדעית. מדענים מכל העולם, גם מישראל, צפויים לעבוד על המידע שיגיע מהגלאי הסיני ולהיפך. "יש תחרות בריאה", אומרת ד"ר עדי אשכנזי, שמשתתפת בפרויקט הגלאי בארה"ב, שנקרא Dune, "אבל בהחלט יש גם שיתוף פעולה". נראה שהעולם המדעי מתרגש בעיקר מהאפשרות לבחון את הניוטרינים מכמה כיוונים ובדרכים שונות, ולאסוף נתונים - ייתכן שהם ישלימו אלה את אלה, וייתכן שיסתרו אלה את אלה ויווצרו תעלומות חדשות.

"הניסויים משלימים זה את זה", אומרת ברסלר. לכל אחד מהם רגישות שונה, אז לכל אחד מהם יש המקום שבו הוא יוכל להיות 'הכי הכי'. מי שיצליח לגלות ראשון את הפרש המאסות בין ניוטרינים מסוגים שונים - זה כנראה פרס נובל. כולם ירצו להיות ראשונים. ויש גם תחרות מי ימצא ראשון משהו ששונה מהמודל הרגיל".

חלקיק בשלושה טעמים

אז מה בעצם מחפשים החוקרים? ניוטרינו הוא אחד החלקיקים המרכיבים את האטום. אין לו מטען, ולכן הוא אינו מגיב לכוח האלקטרומגנטי או לכוח הגרעיני החזק, אלא רק לכוח החלש. "חלקיקי ניוטרינו מגיעים בשלושה סוגים, בפיזיקה קוראים לזה שלושה 'טעמים' - ניוטרינו־אלקטרון, ניוטרינו־מואון או ניוטרינו־טאו. אנחנו לא יודעים למדוד את הניוטרינו ישירות אבל אנחנו יודעים שכאשר יש לו אינטראקציה עם חומר, נפלט חזרה אותו אלקטרון, מואון או טאו. כך אנחנו יודעים איזה חלקיק הגיע".

וכאן מתחיל המסתורין. "בשנות ה-80 של המאה הקודמת בוצע ניסוי מפורסם, שמצא כי הניוטרינים שמגיעים ליעד אינם אותם ניוטרינים שיצאו לדרך", מסביר רון. "אנחנו יודעים לנבא אילו ניוטרינים יוצאים לדרך לפי כמות האלקטרון, המואון והטאו שנפלטו יחד איתם בתחילת התהליך, ומי הגיע לגלאים שלנו לפי הכמות שנפלטת בגלאי". והנה, הפתעה. נראה שחלקיקי הניוטרינו מחליפים את הטעם שלהם בדרך. ממש כאילו יצאתם מסניף של גולדה עם גלידת תות אבל כשפתחתם את הקופסה בבית גיליתם טעם פיסטוק. "כדי שזה יקרה, חייבת להיות לניוטרינים מאסה. נראה שכל ניוטורינו הוא קומבינציה של שלושה מצבי מאסה, אבל הקומבינציות הללו משתנות כאשר הניוטרינו מתקדם במרחב".

דמיינו עכשיו שבמארז הגלידה שלכם יש שלושה טעמים - נניח תות, פיסטוק ושוקולד, ולכל אחד מהם משקל אחר. בזמן ששליח וולט נע במרחב, היחס בין כמות גלידת הפיסטוק שבקופסה לכמות גלידת התות משתנה (וזה כמעט הגיוני נוכח התנהגות השליחים בכביש) ולכן גם המשקל של הקופסה כולה משתנה. בפיזיקה של היום, אנחנו לא יודעים לומר מה קורה בתוך הקופסה, אבל אנחנו יכולים לדעת שהתרחש שינוי. האנלוגיה הזאת אינה מושלמת כי המילה "טעמים" בהקשר הזה מתארת דווקא את הקופסה כולה, אבל זה פחות או יותר מסביר את החידה שאתגרה את הפיזיקאים.

"זה היה שינוי מאוד לא צפוי", מחדדת ברסלר. "המודל הסטנדרטי לא מנבא אותו, ואנחנו לא מכירים שום חלקיק שמתנהג ככה".

"הסיכוי שניוטרינו יחליף טעם נע בגלים כתלות בדרך שהוא עובר ובאנרגיה שלו", אומרת אשכנזי. "לגלים האלו אנחנו קוראים אוסצילציות. בנקודות מסוימות הסיכוי גבוה ובמקומות מסוימים הוא נמוך, ואפשר לקשור את הסיכוי הזה להפרש המסות של הניוטרינים. כך גילו שלניוטרינו יש מאסה, גילוי שזכה בפרס נובל.

"בניסוי שלנו, אם אנחנו יודעים מהי האנרגיה של הניוטרינו ומה המרחק שלו מהגלאי בעת היווצרותו, ואנחנו מודדים אילו ניוטרינים קיבלנו בסופו של דבר בגלאי, אנחנו יכולים לדעת כמה תחלופות היו, ואנחנו יכולים לחשב מתוך זה את הפרשי המאסה".

ברסלר מוסיפה כי בניסויים בסין וגם בארה"ב, כנראה לא יצליחו למדוד מהי המאסה של כל חלקי ניוטרינו (לשם כך דרושים ניסויים אחרים בגלאים אחרים, ואולי זה בכלל לא אפשרי כרגע). עם זאת, כנראה כן ניתן יהיה למדוד, וזה יהיה הישג מאוד גדול, מהו ההפרש בין המאסות של כל אחד מהניוטרינים.

מה המשמעות של כל זה?
רון: "אם נדע משהו על המאסה של הניוטרינים, אולי נדע מאיפה היא מגיעה, ואולי נגלה כוחות חדשים ביקום".

זה חשוב גם להבנת ההיסטוריה הקדומה של היקום.
"סופרנובה, התפוצצות של כוכב מאסיבי בסוף חייו, משחררת חלק גדול מהמאסה שלה בצורת ניוטרינו, ולכן המאסה של חלקיקי הניוטרינו חשובה למודלים של סופרנובות".

 סופרנובה קסיופאה / צילום: Reuters

גם סוגיית החומר האפל עשויה להיות מושפעת מתוצאות הניסוי. "חומר אפל הוא חומר שהאינטראקציה היחידה שלו עם חומר רגיל היא דרך הכבידה", אומר רון. "אנחנו מסיקים זאת מכך שהמודלים שמתארים כמה כבד העולם אינם מתיישבים עם המודלים של כמה חומר אנחנו רואים בו. לכן אנחנו מניחים שיש בו גם חומר 'אפל'. ניוטרינו הוא חלקיק שכמעט לא עושה אינטראקציה אבל אולי יש לו יכולת להשפיע דרך הכבידה. כל ניוטרינו הוא קל מאוד, פי מיליון פחות מאסיבי מאלקטרון, אבל יש כל כך הרבה מהם, שאם המאסה שלהם תימדד בסופו של דבר בטווחים מ סוימים, אז אולי הם מהווים חלק מהחומר האפל".

אשכנזי: "אם אנחנו נראה כי סכום כל ההסתברויות של ניוטרינים שיוצאים מהכור לא שווה לאחד, זה יכול לרמז לנו על קיומו של חלקיק נוסף שאנחנו עדיין לא מכירים".

גלאי מוקטן במעבדה בישראל

לפני כשנה וחצי סיפר לנו פרופ' ליאור ארזי מאוניברסיטת בן גוריון על גלאי אחר שנבנה מתחת להר באזור הפירינאים בספרד, והוא חוקר תעלומה אחרת שקשורה בניוטרינו: החומר המאיר ביקום, כלומר החומר שאינו חומר אפל, מחולק לחומר ואנטי־חומר, וכשהם נפגשים הם מאיינים זה את זה. ישנה השערה שאך ורק הניוטרינו יכול "לבחור" אם להיות חומר או אנטי־חומר, ואם אכן כך הדבר, זה מסביר מדוע יש חומר בעולם. זאת בעוד שלפי תיאוריית המפץ הגדול, חומר ואנטי־חומר נוצרו בכמות זהה בראשית היקום והיו אמורים לאיין זה את זה לחלוטין.

מאיץ Dune, שאשכנזי שותפה בו, אמור לבחון לא רק את יחסי המאסות בין הניוטרינים השונים אלא גם לתת מידע משלים לניסוי שארזי משתתף בו. "יש לנו שני מאיצים, אחד מייצר ניוטרינו והשני מייצר אנטי־ניוטרינו בצורה מאוד מדויקת", היא אומרת.

הגלאי יהיה מוכן ב־2031. איך נראית העבודה שלכם בינתיים?
"ניסויים מהסוג שלנו לוקחים המון המון זמן. לכן אנחנו עוסקים גם בתכנון והקמה של הגלאי החדש וגם בניתוח תוצאות מגלאים קודמים שעובדים ובהכנת התוכנה שתנתח את התוצאות כי אנחנו רוצים לוודא שברגע שהן יתחילו להגיע, הכול יהיה מוכן.

"במקביל, אנחנו מנסים לעשות ניסויים בחלקיקים אחרים, כדי להבין בצורה מדויקת יותר איך הם מתנהגים בתוך הגלאי, כדי שנוכל לנטרל רעש פוטנציאלי. לכן אצלנו במעבדה בנינו גלאי מקומי בדיוק באותה טכנולוגיה של Dune, רק הרבה יותר קטן".

זה מתסכל שכל הזמן יש לנו יותר שאלות מתשובות?
ברסלר: "בעיניי זה הכיף במקצוע, היכולת של העולם לתת לנו תשובות מפתיעות שגורמות לנו כל הזמן לשאול שאלות חדשות. מדענים לא מייצרים מוצר, המוצר שלנו הוא ידע, וזה שהוא בלתי מתכלה, זה יפה בעיניי".