במשך שנים תהו מדוע איננו קולטים בגלאים שלנו את הכמות החזויה של חלקיקי הניוטרינו מהשמש. קג'יטה ומקדונלד, זוכי פרס נובל השנה, גילו את התשובה: החלקיקים יכולים להשתנות

חלקיקי הניוטרינו הם רוחות הרפאים של היקום. אנחנו מוקפים בהם מכל עבר, ובכל שנייה מאות או אלפי מיליארדים מהם עוברים דרך גופנו, אבל למרות הכמות האדירה שלהם קשה מאוד לגלות אותם.

חידות ותעלומות רבות הקשורות לניוטרינו הטרידו את המדע במאה האחרונה, שהמפורסמת בהן היא בעיית הניוטרינו הסולריים. רוב הניוטרינו שמגיעים לכדור הארץ מקורם בתהליכים שמתרחשים בליבת השמש שלנו, ועל מנת לחקור אותם נבנו גלאים למדידת שטף הניוטרינו מהשמש. אולם למרבה ההפתעה כל המדידות הצליחו לגלות רק כשליש מכמות הנייטרינו שהחוקרים ציפו למצוא. הבעיה נותרה תעלומה במשך כשלושים שנה, עד שהתצפיות של שתי קבוצות חוקרים, ובראשם טקאקי קג'יטה מיפן וארתור מקדונלד מקנדה, הוכיחו שהסיבה לכך היא שחלקיק הניוטרינו יכול לשנות צורה ושיש לו מסה. על הגילוי הזה הם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2015.


קג'יטה ומקדונלד | תמונות: האתר הרשמי של פרסי נובל

אופי החלקיק
הניוטרינו הוא אחד החלקיקים הבסיסיים שמהם מורכב היקום שלנו. הוא נחזה תיאורטית כבר בשנת 1930 בידי וולפגנג פאולי, כהסבר לתהליך שבו ניוטרון דועך לפרוטון ואלקטרון. אלמלא קיומו של הניוטרינו, התהליך הזה פשוט לא היה משמר אנרגיה.

בשנת 1956 גילו לראשונה את האנטי-חלקיק של הניוטרינו, דבר שהוכיח גם את קיומו של הניוטרינו עצמו. כעבור כמה שנים התברר שיש שלושה סוגים של ניוטרינו, או שלושה "טעמים" שלו: הניוטרינו האלקטרוני, הניוטרינו המיואוני והטאו ניוטרינו. השלושה הם חלקיקים שונים, אבל התגלית המרתקת ביותר הייתה שניוטרינו יכול לשנות את סוגו כשהוא בא באינטרקציה עם חומר. השינוי הזה נקרא "תנודות ניוטרינו".

עם גילוי אפקט תנודות הניוטרינו באה על פתרונה תעלומת הניוטרינו הסולריים: החוקרים ידעו להעריך את כמות הניוטרינו האלקטרוניים שצפויים להגיע מהשמש אל כדור הארץ, אך לא לקחו בחשבון שניוטרינו אלקטרוניים יכולים להפוך לסוגי ניוטרינו אחרים שהגלאים לא ידעו אז לגלות. זאת הסיבה שבגללה רק שליש מכמות החלקיקים התגלו בגלאי – הנותרים פשוט הפכו לסוגי ניוטרינו אחרים.

הגילוי
רמזים ראשונים לתנודות ניוטרינו התגלו בשנת 1998 בגלאי היפני סופר-קמיוקנדה , שבראשו עומד קג'יטה. הגלאי נמצא בעומק של כקילומטר מתחת לפני האדמה, במעמקי ההר קמיוקה שבמערב יפן, ליד מכרה אבץ. המקום העמוק כל כך מתחת לפני האדמה נועד לאפשר למדענים לסנן ככל שניתן חלקיקים מסוגים אחרים לפני שיגיעו לגלאי. חלקיקים כמו פוטונים ואלקטרונים פשוט לא יחדרו מבעד לאדמה, בעוד הניוטרינו הוא חלקיק ניטראלי שהאינטרקציה שלו עם חלקיקים אחרים חלשה מאוד, כך שרוב החלקיקים שלו שמגיעים לכדור הארץ חוצים אותו בלי הפרעה.

סופר-ק' מורכב ממכל של חמישים אלף טון של מים טהורים במיוחד שמוקף ב-11,146 גלאי אור רגישים. כשניוטרינו יוצר אינטראקציה עם אחד הפרוטונים במולקולת המים נוצר אור שנע במהירות גבוהה ממהירות האור במים, אך כמובן לא ממהירות האור בריק. התהליך הזה מלווה בקרינה אופיינית שנקראת קרינת צ'רניקוב, והיא נרשמת בגלאים ומצביעה על האפשרות של פגיעת ניוטרינו.


עבודות בגלאי סופר-קמיוקנדה ביפן | צלמת: אמבר קייס

בשנת 2001 פורסמה הוכחה ניצחת נוספת לכך שחלקיקי ניוטרינו יכולים לשנות את סוגם, הפעם בגלאי הניוטרינו הקנדי בסדבורי, קנדה (SNO). בראש הניסוי הזה עמד פרופ' ארתור מקדונלד, שזכה בפרס נובל בפיזיקה השנה יחד עם קג'יטה.

קבוצת הניסוי בסופר-קמיוקאנדה אמנם הקדימה את הקבוצה הקנדית, אבל תוצאות הניסוי שלה לא היו חד-משמעיות ולא מדדו ישירות את הניוטריו שמגיעים מהשמש. אנשי SNO היו הראשונים שהוכיחו מעבר לכל ספק חלקיקי ניוטרינו שמגיעים מהשמש עושים תנודות ומשנים את סוגם, והתוצאות שלהם תאמו את כל החישובים התיאורטיים.

המסה של הניוטרינו
אישוש התיאוריה על כך שניוטרינו יכולים לשנות את סוגם מעיד גם שלחלקיקי הניוטרינו יש מסה. הגילוי הזה תרם רבות להבנת חלקיקי הניוטרינו, על סוגיהם, האינטראקציות שלהם ותהליכים שקושרים אליהם בליבת השמש.

למרות הצלחת הניסויים הללו עדיין לא תמו התעלומות הסובבות את החלקיקים הללו. לא ברור למשל אם האנטי-חלקיקים של הניוטרינו והניוטרינו הם בעצם אותו החלקיק? אם אכן יוכח שהניוטרינו הוא האנטי-חלקיק של עצמו זו תהיה תגלית שתשפיע מאוד על הבנת פיזיקת החלקיקים, כך שקג'יטה ומקדונלד לא יהיו האחרונים שיקבלו פרס נובל על חקר הניוטרינו.

המאמר התפרסם באתר NRG בתאריך 18.10.15

אנה גריבנין
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.