הגלאי העצום של החלקיק הזעיר

יפן צפויה לבנות את גלאי הניטרינו הגדול בעולם, בהשקעה של כ-600 מיליון דולר. לפי כתב העת Nature, המתקן צפוי לקדם פריצות דרך מדעיות בתחום פיזיקת החלקיקים. החוקרים העומדים מאחורי היוזמה מתכוונים להשתמש במתקן כדי לגלות חלקיקי ניטרינו שמקורם בקרינה קוסמית, בשמש ובפיצוצי כוכבים מסוג סופר-נובה. בנוסף יחפשו במתקן התפרקות ספונטנית של פרוטונים בגרעין האטום.

נֵיטרינו הוא חלקיק יסודי נטול מטען חשמלי שהמסה שלו היא הקטנה ביותר מכל החלקיקים בעלי המסה. הוא נוצר בתהליכים מסוימים שמתרחשים בתוך גרעין האטום. חלקיקי ניטרינו נפלטים למשל בתהליך ההיתוך הגרעיני המתרחש בליבת השמש בשעה שאטומי מימן מתמזגים ליצירת אטומי הליום. במקרים אחרים הם נפלטים בתהליכים גרעיניים המתרחשים בסופר-נובה – התהליך שעובר כוכב כבד במיוחד כשההיתוך הגרעיני בליבתו לא מצליח לגבור יותר על כוח הכבידה שלו.

גילוי חלקיקי ניטרינו יכול אם כן לסייע בחקר תהליכים בליבת השמש, סופר-נובות, קרינה קוסמית וכל תהליך אחר שמלווה בפליטת החלקיקים הללו. הבעיה היא שהמסה של הניטרינו קטנה במיוחד, עד כדי כך שרק בשנת 2015 הוענק פרס נובל בפיזיקה על עצם הגילוי שיש לו מסה, כך שהוא לא מקיים כמעט יחסי גומלין עם גופים בעלי מסה אחרים, או לפחות לא באופן שאמצעי המדידה הקיימים יכולים לגלות.

לניטרינו אין מטען חשמלי והוא אינו מקיים אינטראקציות חשמליות עם גופים טעונים, דבר שמקשה עוד על גילויו. ובכל זאת, טריליוני חלקיקי ניטרינו מגיעים לכדור הארץ בכל רגע נתון והם מקיימים אינטראקציות באמצעות הכוח הגרעיני החלש, כך שבכל זאת אנו יכולים לגלות אותם. ואכן כבר בשנות ה-50 של המאה הקודמת מדדו לראשונה הפיזיקאים האמריקאים פרדריק ריינס (Reines) וקלייד קואן (Cowan) חלקיקי ניטרינו, כעשרים שנה אחרי שהפיזיקאי התיאורטי המפורסם וולפגנג פאולי (Pauli) חזה את קיומם.

הדור הקודם: גילוי ניטרינו מהשמש בגלאי סופר-קמיוקנדה | מקור: Science Photo Library

כמו מחט בערימת שחת

גלאי ניטרינו מורכבים לרוב ממיכל עצום של מים מזוקקים שנטמן עמוק באדמה כדי להגן עליו מקרינה ומחלקיקים תועים שמגיעים מעל פני האדמה. רוב חלקיקי הניטרינו עוברים דרך המים במהירות הקרובה למהירות האור בלי להותיר כל חותם, אבל מדי פעם ניטרינו פוגע במולקולת מים וגורם ליצירת חלקיק טעון חשמלית הנע במהירות גבוהה.

החלקיק הטעון יוצר סביבו במהלך תנועתו קרינה המכונה קרינת צ'רנקוב (Cherenkov), שנוצרת כשחלקיק נע במהירות גבוהה ממהירות האור בתוך תווך כלשהו, במקרה שלנו – מים. את הקרינה ניתן למדוד באמצעות גלאי אור רגישים. חשוב לשים לב שקרינת צ'רנקוב אינה סותרת את תורת היחסות של איינשטיין אשר קובעת כי אין חלקיק שמסוגל לנוע מהר יותר ממהירות האור בריק. כאשר אור נע בתוך תווך מסויים, מהירותו מואטת ביחס למהירותו בריק. קרינת צ'רנקוב נוצרת כאשר חלקיק נע במהירות גבוהה ביחס למהירות האור באותו תווך (אך לעולם מהירותו תהיה קטנה ממהירות האור בריק). 

המתקן החדש ייקרא "היפר-קמיוקנדה" (Hyper-Kamiokande) בשל קרבתו לאזור קמיוקה (Kamioka) מצפון-מערב לטוקיו. האזור נבחר בזכות המכרות שיש בו, הסלע הקשה וזמינות המים המתוקים בו. המתקן יוקם קרוב יחסית לגלאי גלי הכבידה KAGRA, ולגלאי הניטרינו הגדול הקודם  סופר-קמיוקנדה, שנפתח ב-1996 ואִפשר לגלות שלניטרינו יש מסה. היפר-קמיוקנדה צפוי להיות עצום בגודלו – הוא יכיל 260 אלף טון של מים טהורים במיוחד – יותר מפי חמישה מקודמו סופר-קמיוקנדה. רוחב המיכל יהיה 68 מטר, ועומקו 71 מטר. ברחבי המתקן יפוזרו גלאי אור רגישים.

הפרוטון המתפרק

ההתלהבות הגדולה של פיזיקאים מההיפר-קמיוקנדה נובעת בראש ובראשונה מהתקווה שהוא יאפשר לחקור את ההבדלים בין הניטרינו לחלקיק המשלים שלו – האנטי-ניטרינו. מכאן אולי יבוא ההסבר מדוע יש ביקום הרבה יותר חומר מאנטי-חומר. עם זאת, מהמתקן עשויה לצאת עוד תגלית, לא פחות גדולה: תצפית בהתפרקות של פרוטון. כך לפחות מקווה אחד ממנהלי הגלאי, הפיזיקאי מסיוקי נקהאטה (Nakahata) מאוניברסיטת טוקיו, כפי שאמר ל-Nature.

התפרקות פרוטון היא תופעה תיאורטית שלא אוששה מעולם בניסוי. על פי התיאוריות, הפרוטון יכול להתפרק באופן ספונטני לחלקיקי יסוד. אומנם לפי המודל הסטנדרטי של החלקיקים, שהוא ההסבר הפיזיקלי המקובל לתיאור קשרי הגומלין בין החלקיקים היסודיים, התפרקות כזאת לא אמורה להתרחש באופן ספונטני, אבל תיאוריות חדשות ממשפחת התיאוריות המאוחדות הגדולות צופות שהיא אפשרית. כמות המים העצומה במתקן החדש מגדילה את ההסתברות לצפות בהתפרקות של פרוטון ואף למדוד אותה, אם התופעה אכן קיימת.