הפיכת חומר אפל בלתי נראה לאור נראה

מחקרים בחומר אפל מתקדמים עם טכניקות ניסוי חדשות שנועדו לזהות צירים, תוך מינוף טכנולוגיה מתקדמת ושיתוף פעולה בין-תחומי כדי לחשוף את סודות המרכיב החמקמק הזה של הקוסמוס.

רוח רפאים רודפת את היקום שלנו. זה ידוע באסטרונומיה ובקוסמולוגיה במשך עשרות שנים. תצפיות מצביעות על כך שכ-85% מכל החומר ביקום הוא מסתורי ובלתי נראה. שתי התכונות הללו משתקפות בשמה: חומר אפל.

מספר ניסויים נועדו לחשוף ממה הוא עשוי, אך למרות עשרות שנים של חיפושים, מדענים לא הצליחו. עכשיו הניסוי החדש שלנו, בהקמה ב אוניברסיטת ייל בארה"ב, מציע טקטיקה חדשה.

חומר אפל נמצא סביב היקום מאז תחילת הזמן, מושך כוכבים וגלקסיות יחד. בלתי נראה ועדין, נראה שהוא לא יוצר אינטראקציה עם אור או כל סוג אחר של חומר. למעשה, זה חייב להיות משהו חדש לגמרי.

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים אינו שלם, וזו בעיה. עלינו לחפש חלקיקי יסוד חדשים. באופן מפתיע, אותם פגמים של הדגם הסטנדרטי נותנים רמזים יקרים היכן הם עלולים להסתתר.

הבעיה עם הנייטרון

ניקח את הנייטרון, למשל. הוא מרכיב את גרעין האטום יחד עם הפרוטון. למרות היותו ניטרלי בסך הכל, התיאוריה קובעת שהיא מורכבת משלושה חלקיקים טעונים המכונים קווארקים. בגלל זה, היינו מצפים שחלקים מסוימים של הנייטרון יהיו טעונים באופן חיובי ואחרים לשלילה – זה אומר שיש לו מה שהפיזיקאים מכנים מומנט דיפול חשמלי.

עם זאת, ניסיונות רבים למדוד אותו הגיעו לאותה תוצאה: היא קטנה מכדי להיות מזוהה. עוד רוח רפאים. ואנחנו לא מדברים על אי התאמה אינסטרומנטלית, אלא פרמטר שצריך להיות קטן מחלק אחד לעשרה מיליארד. זה כל כך זעיר שאנשים תוהים אם זה יכול להיות אפס לגמרי.

בפיזיקה, לעומת זאת, האפס המתמטי הוא תמיד אמירה חזקה. בסוף שנות ה-70, ניסו הפיזיקאים של החלקיקים רוברטו פצ'י והלן קווין (ומאוחר יותר, פרנק וילצ'ק וסטיבן ויינברג) להתאים לתיאוריה ולראיות.

הם הציעו שאולי הפרמטר אינו אפס. במקום זאת מדובר בכמות דינמית שאיבדה לאט את המטען שלה, והתפתחה לאפס, לאחר המפץ הגדול. חישובים תיאורטיים מראים שאם אירוע כזה קרה, הוא בוודאי הותיר אחריו שפע של חלקיקים קלים ומעורפלים.

אלה כונו "אקסיונים" על שם מותג חומרי ניקוי מכיוון שהם יכלו "לנקות" את בעיית הנייטרונים. ואפילו יותר. אם האקסיות נוצרו ביקום המוקדם, הן מסתובבות מאז. והכי חשוב, המאפיינים שלהם בודקים את כל התיבות הצפויות לחומר אפל. מסיבות אלו, אקסונים הפכו לאחד החלקיקים המועמדים המועדפים לחומר אפל.

Axions היו רק אינטראקציה עם חלקיקים אחרים בצורה חלשה. עם זאת, זה אומר שהם עדיין יתקשרו קצת. הצירים הבלתי נראים יכולים אפילו להפוך לחלקיקים רגילים, כולל – למרבה האירוניה – פוטונים, עצם המהות של האור. זה עשוי לקרות בנסיבות מסוימות, כמו בנוכחות שדה מגנטי. זוהי מתנה משמים עבור פיזיקאים ניסויים.

עיצוב נסיוני

ניסויים רבים מנסים לעורר את רוח הרפאים בסביבה המבוקרת של מעבדה. חלקם שואפים להמיר אור לאקסיונים, למשל, ואז אקסיונים בחזרה לאור בצד השני של הקיר.

נכון לעכשיו, הגישה הרגישה ביותר מכוונת להילה של חומר אפל החודרת לגלקסיה (וכתוצאה מכך לכדור הארץ) באמצעות מכשיר הנקרא הלוסקופ. זהו חלל מוליך שקוע בשדה מגנטי חזק; הראשון לוכד את החומר האפל המקיף אותנו (בהנחה שמדובר באקסיונים), בעוד שהאחרון גורם להמרה לאור. התוצאה היא אות אלקטרומגנטי המופיע בתוך החלל, המתנודד בתדר אופייני בהתאם למסת האקסיון.

המערכת פועלת כמו רדיו קולט. יש להתאים אותו כראוי כדי ליירט את התדר שאנו מעוניינים בו. מעשית, מידות החלל משתנות כדי להתאים לתדרים אופייניים שונים. אם התדרים של האקסיון והחלל אינם תואמים, זה בדיוק כמו לכוון רדיו בערוץ הלא נכון.

לצערנו, לא ניתן לחזות מראש את הערוץ שאנו מחפשים. אין לנו ברירה אלא לסרוק את כל התדרים הפוטנציאליים. זה כמו לבחור תחנת רדיו בים של רעש לבן – מחט בערימת שחת – עם רדיו ישן שצריך להיות גדול יותר או קטן יותר בכל פעם שאנחנו מסובבים את כפתור התדר.

עם זאת, אלו לא האתגרים היחידים. הקוסמולוגיה מצביעה על עשרות ג'יגה-הרץ כגבול האחרון והמבטיח לחיפוש אקסיון. מכיוון שתדרים גבוהים יותר דורשים חללים קטנים יותר, חקר האזור הזה ידרוש חללים קטנים מכדי ללכוד כמות משמעותית של אות.

ניסויים חדשים מנסים למצוא דרכים חלופיות. הניסוי שלנו ב-Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) שלנו משתמש בקונספט חדש של חלל המבוסס על מטא-חומרים.

מטא-חומרים הם חומרים מרוכבים בעלי תכונות גלובליות השונות מהמרכיבים שלהם – הם יותר מסך חלקיהם. חלל מלא במוטות מוליכים מקבל תדר אופייני כאילו הוא קטן פי מיליון, תוך שהוא בקושי משנה את נפחו. זה בדיוק מה שאנחנו צריכים. בנוסף, המוטות מספקים מערכת כוונון מובנית הניתנת להתאמה בקלות.

אנו בונים כעת את ההגדרה, שתהיה מוכנה לקחת נתונים בעוד מספר שנים. הטכנולוגיה מבטיחה. פיתוחו הוא תוצאה של שיתוף הפעולה בין פיזיקאים של מצב מוצק, מהנדסי חשמל, פיזיקאים של חלקיקים ואפילו מתמטיקאים.

למרות היותם חמקמקים כל כך, אקסיוניז' מזינים התקדמות ששום רוח רפאים לעולם לא תיקח ממנה.

נכתב על ידי אנדריאה גאלו רוסו, עמיתת פוסט-דוקטורט לפיזיקה, אוניברסיטת שטוקהולם.

עיבוד ממאמר שפורסם במקור ב-The Conversation.