הזוי: 400 מיליארד חלקיקים עוברים דרכנו כל שנייה
כולנו מכירים את התחושה שמישהו עובר לידנו מבלי שנשים לב. אבל דמיינו שטריליוני "מישהואים" עוברים דרכנו כל רגע מבלי שנרגיש בהם כלל. זה בדיוק מה שקורה לנו עם נייטרינו, החלקיק המסתורי שהבורא ברא בצורה כה ייחודית עד שהוא כמעט אינו מקיים אינטראקציה עם שאר החומר ביקום. מתברר כי כל שנייה עוברים כ-400 מיליארד מהם דרך גופו של כל אדם על פני כדור הארץ.
החוקרים גילו שהנייטרינו הוא חלקיק יסודי ללא מטען חשמלי, ולכן הוא אינו מושפע מהכוח האלקטרומגנטי שמחזיק את האטומים יחד. הוא גם לא מושפע מהכוח החזק שמחזיק את גרעין האטום. הכוח היחיד שבו הוא יכול לקיים אינטראקציה עם חומר אחר הוא הכוח החלש, אחד מארבעת הכוחות היסודיים בטבע שטווחו קצר ביותר ועוצמתו חלשה בהשוואה לכוחות אחרים.
כדי להבין עד כמה חלשה האינטראקציה של נייטרינו עם חומר, דמיינו את הדימוי הבא: אם היינו בונים חומת עופרת שעוביה שווה למרחק מכדור הארץ ועד פרוקסימה קנטאורי, הכוכב הקרוב ביותר אלינו, המרוחק כ-4 שנות אור, חומה כזו לא הייתה מצליחה לעצור אפילו מחצית מחלקיקי הנייטרינו העוברים דרכה. זה אומר שנייטרינו עובר דרך 38 טריליון קילומטר של עופרת כאילו זה אוויר.
מעבדה בלב הקרח
למרות האתגרים האדירים, מדענים מצאו דרכים יצירתיות למדוד את האינטראקציות הנדירות של נייטרינו עם חומר. אחד הפרויקטים המרשימים ביותר בתחום זה הוא גלאי אייסקיוב (IceCube) שנבנה בעומק הקרח של הקוטב הדרומי באנטארקטיקה. מדובר במערך ענק של 5,160 חיישנים אופטיים בגודל כדורסל המפוזרים בתוך קילומטר מעוקב של קרח צלול במיוחד.
החלטנו לבדוק איך בדיוק הגלאי הזה עובד, והגענו לגילוי מדהים. הגלאי אינו מזהה את הנייטרינו עצמם באופן ישיר, זה כמעט בלתי אפשרי. במקום זאת הוא מזהה את התוצאות הנדירות של האינטראקציות שלהם. כשנייטרינו מקיים אינטראקציה עם אטום בקרח, אירוע נדיר ביותר, הוא יוצר חלקיקים טעונים אחרים שנעים במהירות גבוהה דרך הקרח ופולטים הבזקי אור כחול.
אבל זה עוד לא הכל. בשנת 2017 פרסמו מדענים מחקר פורץ דרך שהתבסס על נתונים מגלאי אייסקיוב. במשך שנה שלמה הם אספו נתונים מאלפי אינטראקציות והגיעו לתגלית מרתקת: כשנייטרינו באנרגיה גבוהה מגיעים לכדור הארץ, חלקם נבלעים על ידי החומר הצפוף של כדור הארץ במהלך מעברם דרכו. הם גילו שהיו פחות נייטרינו אנרגטיים שהצליחו לעבור את כל הדרך אל הגלאי.
מהשערה תיאורטית לפרס נובל
הסיפור של הנייטרינו מתחיל בשנת 1930 כשהפיזיקאי האוסטרי וולפגנג פאולי התמודד עם בעיה תיאורטית מטרידה. בתהליך הידוע כ"דעיכת בטא" גרעינים רדיואקטיביים מסוימים משחררים אלקטרונים, אך נראה היה שבתהליך זה נעלמת אנרגיה וזה סתר את חוק שימור האנרגיה. פאולי הציע פתרון נועז: אולי קיים חלקיק נוסף קטן וחסר מטען שנושא את האנרגיה החסרה אך כמעט בלתי אפשרי לזיהוי.
בניגוד למה שחושבים, עברו 23 שנה עד שהנייטרינו אכן זוהה באופן ניסיוני. ב-1956 שני פיזיקאים אמריקאים פרדריק ריינס וקלייד קואן הצליחו לזהות נייטרינו באמצעות גלאי מיוחד שהוצב ליד כור גרעיני. הכור יצר כמויות עצומות של אנטי-נייטרינואים ובאמצעות מכשור מתוחכם ביותר המדענים הצליחו לזהות את האינטראקציות הנדירות שלהם עם החומר. תגלית זו זיכתה את ריינס בפרס נובל לפיזיקה ב-1995.
וכאן זה נהיה מעניין במיוחד. בעשורים הבאים המדענים גילו שקיימים שלושה סוגים שונים של נייטרינו המכונים "טעמים": נייטרינו אלקטרון, נייטרינו מיואון ונייטרינו טאו. אך בשנות השישים התגלתה תעלומה: ניסוי הומסטייק (Homestake) מדד את שטף נייטרינו האלקטרון המגיעים מהשמש ומצא שרק שליש עד מחצית מהמספר הצפוי מגיעים לכדור הארץ. הפתרון הגיע רק בסוף שנות התשעים כשהתגלה שנייטרינו יכולים להשתנות מטעם אחד לאחר במהלך תנועתם, תופעה שזיכתה מדענים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2015.
תגובות (1)