מבט על מצפה הכוכבים IceCube Neutrino, הקבור בעומקים שבין 1.5 ל-2.5 קילומטרים מתחת לקרח האנטארקטי, בקוטב הדרומי. הציוד היחיד הנראה מעל פני השטח הוא מעבדת IceCube, המארחת את המחשבים האוספים נתונים מלמעלה מ-5,000 חיישני האור בקרח. קרדיט: IceCube Collaboration/NSF
צוות אוניברסיטת קופנהגן תורם לניסוי בקנה מידה גדול של אנטארקטיקה השואף לגלות אם כוח הכבידה קיים גם ברמה הקוונטית; נראה שחלקיק יוצא דופן המסוגל לנוע ללא הפרעה בחלל מכיל את התשובה.
כמה אלפי חיישנים הפזורים על פני קילומטר מרובע ליד הקוטב הדרומי מופקדים לענות על אחת השאלות הגדולות והבולטות בפיזיקה: האם קיימת כבידה קוונטית? החיישנים עוקבים אחר ניטרינו – חלקיקים ללא מטען חשמלי וכמעט ללא מסה – המגיעים לכדור הארץ מהחלל החיצון. צוות ממכון נילס בוהר (NBI), אוניברסיטת קופנהגן, תרם לפיתוח השיטה המנצלת נתוני נייטרינו כדי לחשוף אם קיימת כבידה קוונטית.
"אם כפי שאנו מאמינים, כבידה קוונטית אכן קיימת, זה יתרום לאיחוד שני העולמות הנוכחיים בפיזיקה. כיום, הפיזיקה הקלאסית מתארת את התופעות בסביבתנו הרגילה כמו כוח הכבידה, בעוד שעולם האטום ניתן לתאר רק באמצעות מכניקת הקוונטים. האיחוד בין תורת הקוונטים והכבידה נותר אחד האתגרים הבולטים ביותר בפיזיקה הבסיסית. זה יהיה מספק מאוד אם נוכל לתרום למטרה זו", אומר טום שטוטארד, עוזר פרופסור ב-NBI.
לבסוף ה-DOM יורד לתוך המערך שבו הוא יכול להתחיל לקחת נתונים. קרדיט: מארק קרסברג, IceCube/NSF
טום סטאטארד הוא מחבר שותף של מאמר מדעי שפורסם היום בכתב העת היוקרתי פיזיקת הטבע. המאמר מציג תוצאות ממחקר גדול של צוות NBI ועמיתים אמריקאים. יותר מ-300,000 נייטרינו נחקרו. עם זאת, לא מדובר בניטרינו מהסוג המעניין ביותר שמקורם במקורות בחלל העמוק. הנייטרינו במחקר זה נוצרו באטמוספירה של כדור הארץ, כאשר חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מהחלל התנגשו בחנקן או מולקולות אחרות.
"להתבוננות בניטרינו שמקורם באטמוספירה של כדור הארץ יש יתרון מעשי שהם נפוצים הרבה יותר מאחיהם מהחלל החיצון. היינו צריכים נתונים מניטרינו רבים כדי לאמת את המתודולוגיה שלנו. זה הושג כעת. לפיכך, אנו מוכנים להיכנס לשלב הבא בו נלמד נייטרינו מהחלל העמוק", אומר טום סטאטארד.
טום סטאטארד, עוזר פרופסור ב-NBI. קרדיט: NBI
נוסעים ללא הפרעה דרך כדור הארץ
מצפה הכוכבים IceCube Neutrino ממוקם ליד תחנת הקוטב הדרומי אמונדסן-סקוט באנטארקטיקה. בניגוד לרוב מתקני האסטרונומיה והאסטרופיזיקה האחרים, IceCube פועל בצורה הטובה ביותר לצפייה בחלל בצד הנגדי של כדור הארץ, כלומר חצי הכדור הצפוני. הסיבה לכך היא שבעוד שהנייטרינו מסוגל בצורה מושלמת לחדור לכוכב הלכת שלנו – ואפילו הליבה החמה והצפופה שלו – חלקיקים אחרים ייעצרו, והאות יהיה הרבה יותר נקי לנייטרינו המגיעים מחצי הכדור הצפוני.
מתקן IceCube מופעל על ידי אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, ארה"ב. יותר מ-300 מדענים ממדינות ברחבי העולם עוסקים בשיתוף הפעולה של IceCube. אוניברסיטת קופנהגן היא אחת מיותר מ-50 אוניברסיטאות שיש להן מרכז IceCube ללימודי נייטרינו.
מכיוון שלנייטרינו אין מטען חשמלי והוא כמעט חסר מסה, הוא אינו מופרע על ידי כוחות אלקטרומגנטיים וחזקים, המאפשרים לו לנוע מיליארדי שנות אור ביקום במצבו המקורי.
שאלת המפתח היא האם המאפיינים של הנייטרינו למעשה אינם משתנים לחלוטין כאשר הוא עובר מרחקים גדולים או אם בכל זאת בולטים שינויים זעירים.
"אם הנייטרינו יעבור את השינויים העדינים שאנו חושדים, זו תהיה העדות החזקה הראשונה לכבידה קוונטית", אומר טום סטאטארד.
הניטרינו מגיע בשלושה טעמים
כדי להבין אילו שינויים בתכונות הניטרינו הצוות מחפש, יש צורך במידע רקע מסוים. בעוד שאנו מתייחסים אליו כאל חלקיק, מה שאנו רואים כנייטרינו הוא למעשה שלושה חלקיקים המיוצרים יחד, הידועים במכניקת הקוונטים כסופרפוזיציה. לנייטרינו יכולות להיות שלוש תצורות בסיסיות – טעמים כפי שהם מכונים על ידי הפיזיקאים – שהם אלקטרון, מיאון וטאו. באיזו מהתצורות הללו אנו רואים משתנה תוך כדי נסיעת הנייטרינו, תופעה מוזרה באמת המכונה תנודות נייטרינו. התנהגות קוונטית זו נשמרת על פני אלפי קילומטרים או יותר, מה שמכונה קוהרנטיות קוונטית.
"ברוב הניסויים, הקוהרנטיות נשברת במהרה. אבל לא מאמינים שזה נגרם על ידי כוח הכבידה הקוונטי. פשוט מאוד קשה ליצור תנאים מושלמים במעבדה. אתה רוצה ואקום מושלם, אבל איכשהו כמה מולקולות מצליחות להתגנב פנימה וכו'. לעומת זאת, נייטרינו מיוחדים בכך שהם פשוט לא מושפעים מהחומר שמסביבם, אז אנחנו יודעים שאם הקוהרנטיות נשברת זה לא יהיה בגלל חסרונות ב מערך הניסוי מעשה ידי אדם", מסביר טום סטאטארד.
עמיתים רבים היו סקפטיים
לשאלה האם תוצאות המחקר שפורסמו ב-Nature Physics היו כצפוי, משיב החוקר:
"אנחנו מוצאים את עצמנו בקטגוריה נדירה של פרויקטים מדעיים, כלומר ניסויים שלא קיימת עבורם מסגרת תיאורטית מבוססת. לכן, פשוט לא ידענו למה לצפות. עם זאת, ידענו שנוכל לחפש כמה מהתכונות הכלליות שאנו עשויים לצפות שתהיה לתורת הקוונטים של כוח הכבידה."
"אמנם היו לנו תקוות לראות שינויים הקשורים לכבידה הקוונטית, אבל העובדה שלא ראינו אותם אינה מוציאה כלל מכלל אפשרות שהם אמיתיים. כאשר ניטרינו אטמוספרי מתגלה במתקן האנטארקטי, הוא בדרך כלל עבר דרך כדור הארץ. כלומר כ-12,700 ק"מ – מרחק קצר מאוד בהשוואה לנייטרינו שמקורם ביקום הרחוק. ככל הנראה, דרוש מרחק הרבה יותר ארוך כדי שהכבידה הקוונטית תשפיע, אם היא קיימת", אומר טום סטאטארד, ומציין שהמטרה העליונה של המחקר הייתה לבסס את המתודולוגיה:
"במשך שנים, פיזיקאים רבים הטילו ספק אם ניסויים יכולים אי פעם לקוות לבדוק את כוח הכבידה הקוונטית. הניתוח שלנו מראה שזה אכן אפשרי, ועם מדידות עתידיות עם ניטרינו אסטרופיזיקלי, כמו גם גלאים מדויקים יותר שנבנים בעשור הקרוב, אנו מקווים סוף סוף לענות על השאלה הבסיסית הזו".
