החלקיק שאינו נמצא: צוות חוקרים של אוניברסיטת תל אביב השתתף לאחרונה בניסוי בינלאומי ראשון מסוגו, MicroBooNE, שביקש לאתגר את התיאוריה של פיזיקת החלקיקים ולבחון לעומק את מסתרי חלקיק הניוטרינו. הניסוי, בהשתתפות קרוב ל-200 פיזיקאים ממדינות שונות נערך במעבדה הלאומית ע"ש פרמי (Fermilab) בארצות הברית. צוות המומחים מישראל, כלל שתי קבוצות מחקר, של ד״ר עדי אשכנזי ושל פרופ׳ אלי פיסצקי מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב.
אז מה זה ניוטרינו? באוניברסיטת תל אביב הסבירו כי ניוטרינו הוא אחד החלקיקים השכיחים ביותר ביקום שלנו. הוא נוצר בכל דעיכה רדיואקטיבית, ולכן חלקיקי ניוטרינו רבים נוצרים בכל כוכב, כולל השמש שלנו, בכורים גרעיניים, וכמובן במאיצי חלקיקים. אפילו אנחנו, בני האדם, מייצרים חלקיקי ניוטרינו. על חלקיקי הניוטרינו פועל רק הכוח החלש, והם לא מגיבים לכוח האלקטרומגנטי או הכוח החזק. לכן, למרות השכיחות הגבוהה שלהם קשה מאוד לגלות חלקיקי ניוטרינו. רובם פשוט עוברים דרך כל גלאי מבלי להשאיר עקבות.
כיום ידוע על שלושה סוגים של ניוטרינו – אלקטרוני, מיואוני וטאואוני. רבות מהתכונות של החלקיקים האלו עדיין לא ידועות, ואלו שכן ידועות לא מסתדרות עם התיאוריות המקובלות. בעשור האחרון היה נהוג לחשוב שקיומו של חלקיק ניוטרינו רביעי יכול להסביר תצפיות אנומליות בניסויי ניוטרינו קודמים. כמעט מיותר לציין שגילוי של חלקיק כזה היה מהווה תגלית עצומה ומשנה הרבה ממה שאנו יודעים על היקום.
ד"ר אשכנזי הסבירה: "הניסוי MicroBooNE נבנה במיוחד על מנת לבחון את האנומליות שנצפו. MicroBooNE הוא גלאי ניוטרינו חדשני, שנכנס לשימוש בשנת 2015. חלקו המרכזי של הגלאי הוא מיכל ענק המלא ב-170 טון של ארגון נוזלי, והוא מסוגל לתעד בדיוק גבוה תמונות תלת ממדיות של מסלולי חלקיקים טעונים שעוברים בתוכו. מסלול חלקיק ניוטרינו לא יזוהה בגלאי אבל חלקיקים טעונים אחרים שנוצרים בהתנגשות בין הניוטרינו לגרעין אטום הארגון כן יזוהו ומהם ניתן יהיה להסיק על קיומו של הניוטרינו".
3 צפייה בגלריה
הניסוי MicroBooNE מובל למיקומו הקבוע במעבדה הלאומית ע״ש פרמי באילינוי
(צילום: Reidar Hahn Fermilab)
אוניברסיטת תל אביב לקחה חלק משמעותי בהפעלת הניסוי, הערכת הרקע, וכל השגיאות שיכולות היו להשפיע על תוצאותיו. הקבוצה מאוניברסיטת תל אביב מתמחה במדידה מדויקת של האינטראקציה בין חלקיק הניוטרינו לבין גרעין אטום הארגון שממנו מורכב הגלאי.
בשבועות האחרונים סיימו ב-MicroBooNE לנתח את המידע שאספו במשך שלוש שנים ופרסמו ארבע אנליזות שונות. כל הנתונים אוששו את הידוע מהמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, ולא נמצאו בהן ראיות לקיומו של ניוטרינו רביעי. התוצאות האלו משפיעות על ההבנה שלנו, ומעודדות תיאוריות חדשות.
MicroBooNE הוא הניסוי הראשון שפעל בטכנולוגיה הזאת בארצות הברית, אבל לא האחרון. בימים אלו מתוכנן ונבנה הניסוי DUNE, גדול הרבה יותר, ולו תהיה הרגישות למדוד כמה מהתכונות הלא ידועות של הניוטרינו. אלו אולי אף יוכלו לעזור לנו לענות על שאלות שונות וביניהן הבנת הסיבה לכך שביקום שלנו יש הרבה יותר חומר מאשר אנטי חומר.
3 צפייה בגלריה
ד"ר אשכנזי (במרכז) עם עמיתי מחקר במעבדה הלאומית ע״ש פרמי באילינוי
(צילום: באדיבות ד"ר אשכנזי)
ד"ר עדי אשכנזי אמרה: "זוהי תוצאה חשובה שעוזרת להבהיר את אי הוודאות סביב חלקיקי הניוטרינו, אבל העיניים שלנו כבר נשואות אל עבר הניסויים הבאים, בראשם DUNE. אנחנו באוניברסיטת תל אביב מפתחים כבר עכשיו מגוון רחב של שיטות על מנת לבחון את האינטראקציות בין ניוטרינו לגרעיני אטומים, וכך נוכל למדוד את תכונות הניוטרינו בצורה מדויקת יותר״.
בימים אלה מתפרסמות גם תוצאותיו של מחקר חדשני של הקבוצה מאוניברסיטת תל אביב בנושא זה, במגזין NATURE. המחקר, שנעשה בשיתוף עם קבוצות מ-MIT, ODU ו-Fermilab, משתמש במדידות מדויקות של התנגשויות של חלקיקים יותר מוכרים, האלקטרונים, עם גרעיני אטומים על מנת לקדם את ההבנה שלנו על אינטראקציות של ניוטרינו.
ד״ר אשכנזי הוסיפה: ״המחקר מראה שיש עוד הרבה מקום לשיפור בכל הנוגע להבנה של שלנו את האינטראקציות עליהן אנחנו מתבססים בבואנו לגלות את תכונות הניוטרינו. אנחנו עובדים על מנת לשפר את המודלים שלנו, מנתחים תוצאות נוספות מ-MicroBooNE, ובימים אלו אוספים עוד נתונים של התנגשויות אלקטרונים במעבדת ג׳פרסון בווירג׳יניה. חברי הקבוצה מאוניברסיטת תל אביב, הפוסט-דוקטורנט ג׳ושוע בארו והסטודנט אמיר גרובר, עובדים על אנליזה מקבילה שעושה שימוש במיואונים קוסמיים במקום אלקטרונים בתוך MicroBooNE. אנחנו רוצים לוודא מכל כיוון שעד ש-DUNE יפעל, יהיו בידינו כל הכלים לנתח את התוצאות שלו, ולקדם את ההבנה שלנו בנוגע לחלקיקים שקיימים ביקום המדהים הזה שלנו".
