בהרי הפירינאים בספרד, מתחת לאדמה, מנסים פיזיקאים לפצח את אחת החידות הגדולות של היקום

עמוק מתחת להר באזור הפירינאים שבספרד, מוקם בימים אלה גלאי חלקיקים יקר להחריד, שמטרתו לגלות סימנים זעירים לתופעה נדירה. עד כדי כך נדירה, שלאורך שנות הניסוי היא צפויה להתרחש, אם בכלל, פעמים ספורות בלבד. אך כקוטן התופעה כך גודל העניין בה. "ההשלכות של גילוי כזה על הבנת היקום הן עצומות", אומר ד"ר ליאור ארזי מהיחידה להנדסה גרעינית באוניברסיטת בן גוריון בנגב. "זו אולי השאלה הכי גדולה בקוסמולוגיה היום".

התופעה שהמדענים רודפים אחריה נקראת "דעיכת בטא כפולה חסרת ניטרינו", ואנחנו מקווים שעד שתסיימו לקרוא את הכתבה הזאת תבינו מה זה אומר. אם היא אכן מתרחשת, היא תוכל להסביר מדוע היקום איננו ריק ואיך נוצר בו חומר.

 ליאור ארזי / צילום: דני מכליס - אוניברסיטת בן גוריון בנגב

היקום אמור להיות ריק

המודל המקובל בפיזיקת חלקיקים, שהוא היום הטוב ביותר שיש לנו לתיאור כל התופעות הפיזיקליות היסודיות שנצפו, מנבא שמול כל חומר שנוצר ביקום נוצרת כמות שווה של אנטי חומר, וכשהם נפגשים הם מבטלים זה את זה. לכן כרגע המודל הזה מנבא יקום ריק. אם תתגלה דעיכת בטא כפולה חסרת ניטרינו, ניתן יהיה לשנות את המודל מעט, והשינוי הזה יאפשר להסביר באופן אלגנטי מדוע בכל זאת יש חומר בעולם.

התופעה כל כך חשובה לעולם הפיזיקה, שמשרד האנרגיה האמריקאי התחייב השבוע להקצות כחצי מיליארד דולר מתוך כמיליארד הדולרים הדרושים לממן ארבע קבוצות ניסוי שמנסות לאשר את קיומה של התופעה. ארזי ותלמידיו שייכים לאחת מארבע הקבוצות הללו. כל אחת מהן מנסה לגשת לתופעה בצורה קצת שונה.

לדברי ארזי מדובר בפרויקט עצום במורכבותו. "נגמרו הימים שבהם היית נכנס למעבדה שלך ומגלה פיזיקה חדשה", הוא אומר. "הניסויים האלה כל כך קשים וכל כך יקרים שכדי לגלות משהו חדש, חייבים שיתוף פעולה של הרבה מוסדות. הדוגמה המובהקת לסוג כזה של ניסוי הוא מאיץ החלקיקים ב-CERN, שעלה כמה מיליארדי אירו ועובדים עליו אלפי פיזיקאים. הניסוי שלנו לא עד כדי כך יקר, אבל הוא מעסיק 100 מדענים מ-20 מוסדות מספרד, ארה"ב, פורטוגל וגם מבאר שבע".

מה מחפש הצוות הבינלאומי הזה ומדוע זה כל כך חשוב? נתחיל בתיאוריה, ואחר כך נסביר איך בונים ניסוי שמטרתו להדגים אותה.

לפי המודל הסטנדרטי הקיים של הפיזיקה, נוצרו במפץ הגדול חומר ואנטי חומר. גם היום, חומר ואנטי חומר נוצרים ונעלמים כל הזמן. אנרגיה הופכת לחומר ואנטי חומר, או שחומר ואנטי חומר הופכים לאנרגיה, אבל רק יחד, בזוגות. לפי אותו מודל, היו אמורים להיווצר חומר ואנטי חומר בכמות שווה. ואם כך, איך זה שיש חומר בעולם? החומר והאנטי חומר היו אמורים לבטל זה את זה.

אבל מה אם מיד אחרי המפץ הגדול היה נוצר חלקיק אחד שיכול לבחור להיות חומר או אנטי חומר, והוא היה בוחר להיות חומר לעתים קצת יותר קרובות? במקרה כזה, אפשר היה להסביר את קיומו של החומר בעולם. כעת, המדענים אכן מחפשים עדות לכך שחלקיק בשם ניטרינו, שהוא חסר מטען וכיום כמעט חסר מסה, הוא אותו חלקיק שיכול לבחור אם להיות חומר או אנטי חומר. אם זה אפשרי, ירמז הדבר לכך שגם מיד לאחר המפץ הגדול נוצרו ניטרינים (רבים של נוטרינו) קדמונים, עם המון מסה, שבחרו אם להיות חומר או אנטי חומר, וייתכן שקצת יותר מהם בחרו להיות חומר, ולכן יש לנו חומר ביקום היום.

 מעבדת הניסוי מבפנים / צילום: lsc-confranc.com

בעקבות חלקיק הרפאים

זו הסיבה לכך שכל העולם מחפש, בהשקעה של מיליארד דולר לאורך 10 שנים, את התופעה שקוראים לה דעיכת בטא כפולה ללא ניטרינו. "ללא ניטרינו" - כי שני ניטרינים ביטלו זה את זה, הוכחה לכך שהניטרינו והאנטי ניטרינו הם בדיוק אותו חלקיק.

אבל מה זו בכלל דעיכת בטא, כפולה או לא כפולה, עם או בלי ניטרינו? "דעיכה היא תהליך שמתרחש בגרעין האטום, וגורם לו לשנות את ההרכב שלו", אומר ארזי. "הגרעין מורכב מפרוטונים (עם מטען חיובי), ניטרונים (ללא מטען) ואלקטרונים שחגים סביבם, עם מטען שלילי. כאשר הגרעין לא יציב, הוא עובר דעיכה, כלומר, ניטרון הופך לפרוטון. מאחר שזה אומר שחלקיק ללא מטען הפך לחיובי, לשם האיזון חייב להיפלט אלקטרון. התהליך הזה נקרא דעיכת בטא".

בתהליך דעיכה, משתחררת כמות מסוימת וקבועה של אנרגיה, שגורמת לאלקטרון לנוע ולהתרחק מהגרעין. במשך שנים, מדענים חשבו שמאחר שאנחנו יודעים בדיוק כמה אנרגיה משתחררת בדעיכה, אנחנו יודעים בדיוק כמה אנרגיה אמורה להיות לאלקטרון. אבל אז, בשנות ה-20 של המאה הקודמת, נכונה להם הפתעה: האלקטרונים לא מקבלים תמיד בדיוק אותה כמות אנרגיה. הם יכולים לקבל מאפס ועד האנרגיה המקסימלית שמשתחררת בתהליך.

"ואז אמרו, ‘אוי ואבוי, נראה שהתהליך הזה מפר את חוק שימור האנרגיה’", אומר ארזי. "עד שוולפגנג פאולי הציע ב-1930 שאולי יש שם עוד חלקיק, בלתי ניתן לגילוי במכשירים הקיימים שלנו, שלוקח חלק מהאנרגיה, וקרא לו ניטרינו (כמו ניטרון, ניטרינו הוא ניטרלי, חסר מטען חשמלי, והוא קטן יותר מניטרון. אבל חוץ מזה אין ביניהם שום קשר. כמו רונאלדו ורונאלדינו)".

לדברי ארזי, "פאולי המציא את החלקיק הזה כדי לשמור על חוק שימור האנרגיה. הוא היה לא שלם עם הצעתו ("המצאתי חלקיק שאינו ניתן למדידה") ובמשך כמה שנים סירב לפרסם אותה כמאמר".

הניטרינו הוא "חלקיק רפאים". "אם תירי אותו על עופרת בעובי של שנת אור (9.5 טריליון קילומטר), רוב הסיכויים שהוא ייצא בקלות מהצד השני. אבל אם יש לך גלאי מספיק גדול שרץ מספיק זמן, בסוף יש אינטראקציה". ואכן הניטרינו נמדד, בשנת 1956. "יש לו חתימה מאוד מובהקת. פתאום באמצע הגלאי מופיע אלקטרון שלא היה קודם. ניטרינו נכנס לגרעין, ואלקטרון נפלט". מאז נמדדה התופעה פעמים רבות.

מעבדה מתחת להר

כך התגלה הניטרינו. כאמור, עכשיו המדענים מחפשים עדות לכך שניטרינו יכול להיות האנטי חלקיק של עצמו. ציינו שאלקטרון וניטרינו יכולים להיפלט בתהליך של דעיכת בטא. ישנה תופעה נדירה מאוד, שנקראת דעיכת בטא כפולה. זוהי תופעה בה שני ניטרונים הופכים בו זמנית לשני פרוטונים ונפלטים מהגרעין שני אלקטרונים ושני ניטריני.

אם הניטרינו יכול באמת להיות אנטי חלקיק של עצמו, אז כאשר נוצרים בו זמנית שני ניטרינו, בחלק מהמקרים הם יכולים להיווצר כחלקיק וכאנטי חלקיק, זוהי דעיכת בטא כפולה חסרת ניטרינו. במקרה כזה שני האלקטרונים תמיד יקבלו את כל האנרגיה שהשתחררה בתהליך.

לדברי ארזי, אם נראה כמות חשודה של מקרים שבהם שני האלקטרונים יחדיו קיבלו את המירב האנרגיה בתהליך הדעיכה, יותר מכפי שמנבאת הסטטיסטיקה, פירוש הדבר ששני הניטרינים ביטלו זה את זה, וזה, כאמור, מהווה חלק מהדרך להסבר מדוע יש חומר בעולם.

איך מודדים את זה?
"דעיכת בטא כפולה ללא ניטרינים היא תופעה נדירה שיכולה להתרחש במספר קטן של איזוטופים, בהם אטום בשם קסנון-136, חומר נדיר, בעיקר בתחום התאורה". הניסוי שבו משתתף ארזי, ששמו NEXT, כבר שריין 100 קילו קסנון-136 בעלות של כמיליון אירו.
מי בעצם קונה את זה? האוניברסיטה?

"הניסוי נערך בספרד והוא נחשב היום לספינת דגל של המדע הספרדי, הם מימנו אותו עד כה ןמחויבים לממן אותו בעשור הקרוב. בנוסף הסטודנטים מועסקים מקרנות מחקר למיניהן, כולל הקרנות הישראליות".

הקבוצה כבר עובדת יחד עשר שנים. "אנחנו צריכים להדגים איך אנחנו רוצים לעבוד על גלאי קטן, ואז על יותר גדול, ורק כשאנחנו רואים שהכול עובד, בונים את הגלאי הסופי שבו באמת מצפים לראות את התופעה", הוא אומר.

בינתיים, נבנה והופעל בהצלחה האבטיפוס הקטן ביותר. הגלאי שנבנה בימים אלה יכיל 100 קילו קסנון-136. הגלאי הבא אחריו יכיל טון של קסנון-136, וייתכן שרק בו תודגם בסופו של דבר התופעה. תאריך תחילת ההקמה המתוכנן שלו הוא 2026.

האתגר החשוב ביותר בניסוי, הוא הפחתת רעשי הרקע. "אם אנחנו מחפשים משהו שקורה פעם בכמה שנים, אנחנו צריכים לדעת בדיוק אבל בדיוק איך זה נראה, כדי למנוע מתופעות אחרות להתחזות לדבר האמיתי", אומר ארזי.

לכן הניסוי נבנה כולו מתחת להר, כדי להפחית ככל האפשר את הקרינה הקוסמית המגיעה מהחלל. "המעבדה שלנו יחסית רדודה לעומת חלק מהמעבדות האחרות. היא נבנתה בתוך מנהרת-רכבת לא פעילה. יש מעבדות שבנויות בתוך מכרה ישן, שיורדים אליו מתוך פיר של מעלית. יש המון כללי בטיחות כשנכנסים ויוצאים ממקום כזה, כי חייבים לדעת בדיוק כמה אנשים נמצאים בפנים, למקרה שקורה משהו".

גם בתוך ההר יש רדיואקטיביות טבעית, ולכן הגלאי עצמו מוקף בלבנים של עופרת. הותקנה מערכת שמנקה את הראדון מהאוויר. "אבל גם הגלאי מורכב ממשהו", אומר ארזי. "כל חומר שנכנס לגלאי עובר בדיקת רדיואקטיביות, ואנחנו בוחרים את הנקיים ביותר".

"אבל את זה כולם עושים", מודה ארזי. "חוץ מזה אתה צריך להיות חכם, כלומר, להניח שכן תהיה קצת קרינת רקע ולדעת להבדיל באופן מדויק, בין קרינת הרקע לתופעה שאנחנו מחפשים".

זהירות מתופעות מתחזות

"יש שני דברים עיקריים שיכולים להתחזות לתופעה שאנחנו מחפשים. אחת התופעות ה’מתחזות’ היא דעיכת בטא כפולה רגילה, עם ניטרינים. הדעיכה הרגילה תניב לנו לפעמים מאורעות שבהם שני האלקטרונים מקבלים כמעט את כל האנרגיה, כאילו לא היו שם ניטרינים בכלל. ב-100 קילו קסנון יהיו מאות אלפי דעיכות בטא ‘רגילות’ בשנה. כדי להבדיל בין זה לבין מצב שבו באמת אין ניטרינים, התבטלו לחלוטין, אנחנו חייבים למדוד את האנרגיה של שני האלקטרונים בדיוק פנטסטי.

הבעיה השנייה היא היווצרות של אלקטרונים בשל קרינה רדיואקטיבית חיצונית לניסוי, שבכל זאת קיימת כמה שלא ננסה להפחית אותה. סטטיסטית, עשויים להתרחש מאורעות שבהם אלקטרון יחיד משאיר בגז בדיוק את האנרגיה שאנחנו מחפשים.

"כאן באה לידי ביטוי תכונה ייחודית של הניסוי שלנו", אומר ארזי. "בגלל שהקסנון שאנחנו משתמשים בו הוא גז, ולא גביש או נוזל כמו בניסויים האחרים, האלקטרון נע למרחק גדול, ולכן אנחנו יכולים לשחזר את צורת המסלול שלו בשלושה ממדים. היכולת הזו מאפשרת לנו להבדיל בין מאורע רקע, עם אלקטרון יחיד, לדבר האמיתי, עם שני אלקטרונים הנפלטים בדיוק מאותה נקודה".

התרומה העיקרית של אוניברסיטת בן-גוריון לניסוי עד כה היא פיתוח שיטת אנליזה פורצת דרך ששיפרה באופן דרמטי את רמת הדיוק של יכולת שחזור מסלול האלקטרונים. העבודה פורסמה לאחרונה ב־journal of high energy physics. אבל יש עוד טריק: תיוג בריום. כאשר קסנון-136 עובר דעיכת בטא כפולה הוא הופך לבריום-136. "אם נצליח למדוד הופעת אטום יחיד של בריום בגלאי, בו זמנית עם יצירת שני אלקטרונים בדיוק באנרגיה הנכונה, תהיה לנו הוכחה חד משמעית שראינו דעיכת בטא כפולה חסרת ניטרינו", אומר ארזי.

לאחרונה קיבלה קבוצת הניסוי בספרד, בשיתוף אוניברסיטת בן-גוריון, מענק של יותר מ-9 מליון אירו לפיתוח השיטה לתיוג בריום, עבודה שכבר הובילה לפרסום בכתב העת המדעי Nature. "בזכות הפוטנציאל לתיוג בריום, משרד האנרגיה האמריקאי סימן אותנו כטכנולוגיית העתיד בתחום".

ואם אכן תתגלה אותה דעיכת בטא כפולה נטולת ניטרינו, שעכשיו אנחנו יודעים בערך מה זה, "ההשלכות הן מטורפות. עוד לפני שנענה על שאלת החומר והאנטי חומר ביקום, הגילוי הזה יעזור להסביר מדוע לניטרינו יש מסה למרות שהמודל הסטנדרטי מנבא שלא תהיה לו מסה כלל, ולמה המסה שלו כל כך קטנה. בנוסף, הגילוי יספק כיוון להרחבת המודל הסטנדרטי בדרך לתיאור מלא של היקום".

אבל ארזי יודע שזה לא בוודאות יקרה. "אם התופעה היא קצת יותר נדירה ממה שחשבנו, אז אולי לא נוכל לגלות אותו בגלאים שאנחנו יודעים לבנות היום, או בזמן חיינו, אלא יגלו אותה הדורות הבאים".

ד"ר ליאור ארזי

אישי: בן 50, נשוי פלוס שלושה. בוגר פרויקט תלפיות שבמסגרתו עשה תואר ראשון במתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטה העברית. את הדוקטורט בפיזיקה עשה באוניברסיטת תל אביב ואת הפוסט דוקטורט במכון ויצמן

מקצועי: עם סיום הפוסט דוקטורט, הצטרף כחוקר לאוניברסיטת בן גוריון, וכיום מנהל מעבדה של כ־20 איש, העובדים גם בתחום של פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים וגם בתחום הטיפול בסרטן באמצעות קרינת אלפא. היה מממציאי הטכנולוגיה של חברת אלפא טאו, שעומדת להתמזג לחברת SPAC בנאסד"ק לפי שווי של מיליארד דולר

עוד משהו: "אני היחיד בבית שהוא לא מוזיקאי"