מחפש נייטרינו, חלקיקי הרפאים של הטבע

אנחנו שוטפים בניוטרינו. הם בין הקלים מבין שני תריסר החלקיקים התת-אטומיים הידועים בערך והם מגיעים מכל הכיוונים: מהמפץ הגדול שהתחיל את היקום, מכוכבים מתפוצצים ובעיקר מהשמש. הם מגיעים ישר דרך כדור הארץ כמעט במהירות האור, כל הזמן, היום והלילה, במספרים עצומים. כמאה טריליון נייטרינים עוברים בגופנו בכל שנייה.

תוכן קשור

• פתיחת פורטלים מוזרים בפיזיקה

הבעיה עבור הפיזיקאים היא שאי אפשר לראות את הנייטרינים וקשה לאיתור. כל מכשיר שנועד לעשות זאת עלול להרגיש יציב למגע, אך לנוייטרינו, אפילו נירוסטה היא בעיקר שטח ריק, פתוח לרווחה כמו מערכת סולארית בפני שביט. יתר על כן, לנייטרינו, בניגוד לרוב החלקיקים התת אטומיים, אין מטען חשמלי - הם ניטרליים, ומכאן השם - כך שמדענים לא יכולים להשתמש בכוחות חשמליים או מגנטיים בכדי לתפוס אותם. פיזיקאים מכנים אותם "חלקיקי רפאים".

כדי לתפוס את הישויות החמקמקות הללו, פיסיקאים ערכו כמה ניסויים שאפתניים במיוחד. כך שנייטרינו לא מתבלבל עם קרניים קוסמיות (חלקיקים תת-אטומיים מהחלל החיצון שאינם חודרים לאדמה), גלאים מותקנים עמוק מתחת לפני האדמה. ענקיים הוצבו במכרות זהב וניקל, במנהרות מתחת להרים, באוקיינוס ​​ובקרח אנטארקטיקה. המכשירים היפים המוזרים הללו הם אנדרטאות להחלטתו של האנושות ללמוד על היקום.

לא ברור אילו יישומים מעשיים יגיעו מחקר נייטרינים. "אנחנו לא יודעים לאן זה יוביל, " אומר בוריס קייזר, פיזיקאי תיאורטי בפרמילאב בבתאוויה, אילינוי.

פיזיקאים חוקרים נייטרינו בחלקם מכיוון שנייטרינו הם תווים משונים כל כך: נראה שהם מפרים את הכללים המתארים את הטבע ביסודו ביותר. ואם פיסיקאים מתכוונים לממש אי פעם את תקוותיהם לפתח תיאוריית מציאות קוהרנטית המסבירה את יסודות הטבע ללא יוצא מן הכלל, הם יצטרכו לתת דין וחשבון להתנהגותם של נייטרינו.

בנוסף, הנייטרינים מסקרנים מדענים מכיוון שהחלקיקים הם שליחים ממרחב הקצה החיצוני של היקום, שנוצרו על ידי גלקסיות מתפוצצות באלימות ותופעות מסתוריות אחרות. "נייטרינו עשוי להיות מסוגל לספר לנו דברים שיותר חלקיקי הבטן אינם יכולים", אומר קייזר.

פיזיקאים דמיינו נייטרינו הרבה לפני שמצאו אי פעם. בשנת 1930 הם יצרו את המושג לאזן משוואה שלא הוסיפה. כאשר גרעין האטום הרדיואקטיבי מתפרק, האנרגיה של החלקיקים שהוא פולט חייבת להיות שווה לאנרגיה שהכילה במקור. אך למעשה, כך צפו מדענים, הגרעין איבד יותר אנרגיה מכפי שגילו הגלאים. אז כדי להסביר את האנרגיה הנוספת ההיא, הגה הפיזיקאי וולפגנג פאולי חלקיק נוסף ובלתי נראה שנפלט על ידי הגרעין. "עשיתי משהו רע מאוד היום בכך שהצעתי חלקיק שלא ניתן לאתר", כתב פאולי ביומנו. "זה דבר ששום תיאורטיקן לא צריך לעשות אי פעם."

מומחי ניסוי החלו לחפש את זה בכל מקרה. במעבדת נשק גרעיני בדרום קרוליינה באמצע שנות החמישים, הם הציבו שני מכלי מים גדולים מחוץ לכור גרעיני שלפי משוואותיהם היו צריכים להפוך עשרה טריליון נייטרינים לשנייה. הגלאי היה זעיר בסטנדרטים של ימינו, אך הוא עדיין הצליח לאתר נייטרינים - שלוש שעה. המדענים קבעו כי הנייטרינו המוצע היה אמיתי; המחקר של החלקיק החמקמק האץ.

כעבור עשור התחזק השטח כשקבוצה אחרת של פיזיקאים התקינה גלאי במכרה הזהב של Homestake, בעיר ליד, דקוטה הדרומית, שמתחת לגובה של 1, 850 מטר. בניסוי זה מדענים התכוונו להתבונן בנייטרינו על ידי מעקב אחר מה שקורה בפעם הנדירה כאשר נייטרינו מתנגש באטום כלור ויוצר ארגון רדיואקטיבי, שניתן לזהות אותו בקלות. בליבת הניסוי היה מיכל מלא 600 טונות של נוזל עשיר בכלור, פרכלורטילן, נוזל המשמש לניקוי יבש. מדי כמה חודשים היו המדענים שוטפים את המיכל ומחלצים כ -15 אטומי ארגון, עדות ל -15 נייטרינים. הניטור נמשך למעלה מ- 30 שנה.

בתקווה לאתר נייטרינו במספרים גדולים יותר, הובילו מדענים ביפן ניסוי שמתנשא לגובה 3, 300 רגל מתחת לפני האדמה במכרה אבץ. סופר-קמיוקנדה, או Super-K כידוע, החל לפעול בשנת 1996. הגלאי מורכב מ- 50, 000 טונות מים במיכל כיפתי שקירותיו מכוסים 13, 000 חיישני אור. החיישנים מזהים את ההבזק הכחול מדי פעם (קלוש מכדי שעינינו יראו) שנגרם כאשר נייטרינו מתנגש עם אטום במים ויוצר אלקטרון. ועל ידי התחקות אחר המסלול המדויק שהאלקטרון טייל במים, פיזיקאים יכלו להסיק את המקור, בחלל, של הנייטרינו המתנגש. רובם, הם מצאו, הגיעו מהשמש. המדידות היו רגישות מספיק בכדי שסופר-ק יכול היה לעקוב אחר שביל השמש על פני השמיים, וכמעט קילומטר מתחת לפני השטח של כדור הארץ, יום השעון הופך ללילה. "זה באמת דבר מרגש, " אומרת ג'נט קונראד, פיזיקאית במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. ניתן לחבר את פסי החלקיקים ליצירת "תמונה יפה, תמונת השמש בנייטרינו."

אולם הניסויים בביצוע הבית והסופר-ק לא גילו כמה נייטרינים רבים כפי שציפו הפיזיקאים. מחקר במצפה הכוכבים Sudbury Neutrino (SNO, המכונה "שלג") קבע מדוע. SNO, שהותקן במכרה ניקל בעומק של 6, 800 מטר באונטריו, מכיל 1, 100 טונות של "מים כבדים", שיש להם צורה בלתי רגילה של מימן המגיב בקלות יחסית עם נייטרינו. הנוזל נמצא במכל תלוי בכדור אקרילי ענק שמוחזק בעצמו בתוך מבנה-על גיאודזי, הסופג רעידות ועליו תלויים 9, 456 חיישני אור - כל העסק נראה כמו קישוט עץ חג המולד בגובה 30 מטר.

מדענים העובדים ב- SNO גילו בשנת 2001 כי נייטרינו יכול לעבור באופן ספונטני בין שלוש זהויות שונות - או כפי שאומרים פיסיקאים, זה מתנדנד בין שלושה טעמים. לתגלית היו השלכות מדהימות. ראשית, זה הראה כי ניסויים קודמים גילו הרבה פחות נייטרינים ממה שחזה מכיוון שהמכשירים מכווננים לטעם נייטרינו אחד בלבד - מהסוג שיוצר אלקטרון - וחסרים את אלה שהתחלפו. מצד שני, הממצא הטיל את אמונם של הפיזיקאים שלנייטרינו, כמו פוטון, אין מסה. (נדנוד בין טעמים זה דבר שרק חלקיקים בעלי מסה מסוגלים לעשות.)

כמה מסה יש לנוטרינו? כדי לגלות, פיזיקאים בונים את KATRIN - ניסוי הטריום של קרלסרוהה בטריום. הסוף העסקי של KATRIN מתהדר במכשיר של 200 טון המכונה ספקטרומטר שיודד את מסת האטומים לפני ואחרי שהם מתפרקים באופן רדיואקטיבי - ובכך יגלה כמה מסה נייטרינו ממשיך. טכנאים בנו את הספקטרומטר כ- 250 מיילים מקרלסרוה, גרמניה, שם יפעל הניסוי; המכשיר היה גדול מדי לכבישים הצרים של האזור, ולכן הועלה על סירה בנהר הדנובה וצף על פני וינה, בודפשט ובלגרד, לים השחור, דרך האגאי והים התיכון, סביב ספרד, דרך התעלה האנגלית, לרוטרדם ולריין, ואז דרומה לנמל הנהר לאופולדשאפן, גרמניה. שם הוא הועלה על משאית וצייץ דרך העיר אל יעדה, כעבור חודשיים 5, 600 מיילים. היא אמורה להתחיל באיסוף נתונים בשנת 2012.

פיסיקאים ואסטרונומים המעוניינים במידע שנוטרינו מהחלל החיצון עשוי להוביל בנושאי סופרנובות או גלקסיות מתנגשות הקימו "טלסקופים נייטרינים". אחד, המכונה IceCube, נמצא בתוך שדה קרח באנטארקטיקה. בסיום, בשנת 2011, הוא יכלול למעלה מ- 5, 000 חיישני אור כחול (ראה תרשים למעלה). החיישנים מכוונים לא לשמיים, כפי שניתן היה לצפות, אלא לכיוון האדמה, כדי לאתר נייטרינו מהשמש והחלל החיצון המגיעים דרך כדור הארץ מצפון. כדור הארץ חוסם קרניים קוסמיות, אך מרבית הנייטרינים מתרוצצים בכוכב הלכת ברוחב 8, 000 הקילומטר כאילו הוא לא היה שם.

ניסוי נייטרינו למרחקים ארוכים מתקיים תחת כמה מדינות במערב התיכון. מאיץ בעל אנרגיה גבוהה, המייצר חלקיקים תת-אטומיים, יורה קרני נייטרינו וחלקיקים קשורים בעומק שישה מיילים, מתחת לצפון אילינוי, ברחבי ויסקונסין ולמינסוטה. החלקיקים מתחילים בפרמילאב, כחלק מניסוי שנקרא חיפוש מזרק ניוטרינו העיקרי (MINOS). תוך פחות משלושת אלפיות השניה הם פגעו בגלאי במכרה הברזל של סודן, מרחק 450 מיילים משם. הנתונים שהמדענים אספו מסבכים את תמונתם על העולם האינפיניטסימלי הזה: כעת נראה כי צורות אקזוטיות של נייטרינו, מה שמכונה אנטי-נייטרינו, עשויות שלא לפעול על פי אותם כללי תנודה כמו נייטרינים אחרים.

"מה מגניב, " אומר קונראד, "זה שזה לא מה שציפינו."

כשמדובר בנייטרינים, מעט מאוד זה.

ספרה האחרון של אן פינקביינר, דבר גדול ונועז, עוסק בסקר השמים הדיגיטלי של סלואן, מאמץ למפות את היקום.

מרבית הנייטרינים שמפגיזים אותנו מגיעים מהשמש, המוצגים כאן בתמונה אולטרה סגולה. (נאס"א) גלאי הסופר-קמיוקנדה הקברני ביפן מצופה 13, 000 חיישנים כדי לאתר את סימני הנייטרינו. עובדים בסירה מפקחים על המכשיר כשהוא מתמלא במים. (מצפה הכוכבים Kamioka, ICRR (המכון לחקר קרניים קוסמיות), אוניברסיטת טוקיו) בסדרת תגובות בליבת השמש, אטומי מימן יוצרים הליום באמצעות היתוך. התהליך משחרר חלקיקים אנרגטיים ותת-אטומיים, כולל נייטרינו. כאשר פוטון, או חלקיק אור, עוזב את ליבת השמש הצפופה, הוא נלכד בחום ובזעם ואולי לא יגיע אלינו במשך מיליוני שנים. אך נייטרינו סולארי אינו מנוטרע ומגיע לכדור הארץ תוך שמונה דקות. (סמואל ולסקו / אינפוגרפיית 5W) מצפה הכוכבים Sudbury Neutrino Observatory בקנדה אישר כי נייטרינו יכול לשנות את זהותו. (SNO) פיזיקאים במעבדה הלאומית ברוקאבן בניו יורק, המוצגים כאן בגלאי ה- STAR של המעבדה, מקווים לירות בקרן נייטרינו מתחת לאדמה אל מכרה ההומסטייק בדרום דקוטה. (BNL) גלאי הנייטרינו של MINOS במינסוטה הוא היעד של קרני הנייטרינו שנורו מאילינוי. (Fermilab שירותי מדיה חזותית) ספקטרומטר KATRIN, אשר ימדוד את מסת הנייטרינו, נדחס דרך לאופולדשאפן, גרמניה, בדרך למעבדה. (מכון קרלסרוהה לטכנולוגיה) גלאי הנייטרינו של IceCube באנטארקטיקה מוטבע בקרח. עם 5, 000 חיישנים המחוברים ליותר מ -70 קווים, IceCube יחפש נייטרינים שעברו 8, 000 מיילים ברחבי כדור הארץ. (אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון) מחרוזת חיישנים יורדת לחור בעומק 8, 000 רגל. (ג'ים האוגן / הקרן הלאומית למדע)