"גלים אטומיים" בגודל של חדר יוכלו לסייע בחקר ממלכת הקוונטים, ואולי אפילו לחשוף כמה מצפונותיו של החומר האפל

חוקרים מכינים את הקרקע לרדת אל עומק צפונותיו של הטבע בקני המידה הזעירים, על ידי כך שימתחו אטומים סופר-מקוררים ויהפכו אותם לגלים באורך של חדר שלם, בעודם נופלים במורד שפופרת ריק באורך של מאה מטר. החוקרים ינצלו בניסוי הזה את התכונות הגליות של האטומים כדי לתור אחרי בממלכת הקוונטים המוזרה: טביעות אצבע אפשריות של חומר אפל שעדיין חומק מאיתנו. בעתיד, בחזרות נוספות של הניסוי, ייתכן שיוכלו לגלות באמצעותו תדירויות חדשות של גלי כבידה.

חוקרים משמונה מוסדות שילבו כוחות כדי להפוך פיר של מכרה באילינוי לאינטרפרומטר האטומים הגדול ביותר בעולם – חיישן הגרדיומטר האינטרפרומטרי לגלי חומר אטומיים, או MAGIS-100, בראשי תיבות. החוקרים מתכננים לסיים בקרוב את תכנון המתקן ולהרכיב אותו עד שנת 2021. מיד לאחר מכן יוכלו להתחיל לרתום קרני לייזר כדי להרחיב אטומי סטרונציום תת-מיקרוסקופיים ולהפוך אותם ל"גלים אטומיים" בקנה מידה מקרוסקופי. "קיץ 2021 – רשמו לפניכם את התאריך. אז הדברים יתחילו להשתגע באמת", אומר רוב פלנקט (Plunkett), חוקר ראשי בפרמילב, המעבדה שבה ינוהל המיזם.

הפרויקט הזה, שממומן מכספי ציבור ומתרומות פרטיות בסכום כולל של 12.3 מיליון דולר, מצטרף לאופנה של מחקרי דיוק שמגשרים על הפער בין ניסויים בקנה מידה מקומי הנערכים במעבדה אחת באוניברסיטה יחידה, לבין משימות ענק שאורכות עשרות שנים ועולות מיליארדי דולרים, כמו מאיץ ההדרונים הגדול או מצפה גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטריית לייזר (LIGO).

כדי לתור את המערך העצום של המסות והתכונות שעשויות להיות לחומר האפל, "צריך ללכת [גם] על קנה המידה הקטן – אי אפשר לשים את כל הביצים בסל אחד", אומרת החוקרת אסימינה ארווניטקי (Arvanitaki) ממכון פרימטר לפיזיקה תיאורטית באונטריו, שאינה מעורבת במיזם MAGIS.

MAGIS-100 ימדוד אטומים בנפילה חופשית שיתומרנו על ידי קרני לייזר. פעימת לייזר יכולה לדגדג אטום יחיד כך שהודות לתכונותיו הקוונטיות הוא גם יבלע את אנרגיית הלייזר וגם לא יבלע אותה – בדומה לחתול הדמיוני של שרדינגר, שנשאר במצב מעורב של חיים ומוות. מבחינת מכניקת הקוונטים, לכל דבר – החל בפוטון וכלה בכדור בייסבול – יש תכונות של גל, אם כי בעצמים גדולים התכונות הללו קלושות מדי למדידה. כשמעוררים אטום בצורה הנכונה בעזרת הלייזר של MAGIS, טבעו הגלי מאפשר לו להימתח במרחב, כך שהחלק שבלע את אור הלייזר דוהר מלפנים.

חלקיקי חומר אפל בחללחלקיקי חומר אפל (WIMPs) משוערים | איור: Science Photo Library

סודות החומר האפל

האבטיפוס של MAGIS, שגובהו עשרה מטרים, שוכן באוניברסיטת סטנפורד, ונכון להיום הוא אחד המתקנים הגדולים מסוגו בעולם. האבטיפוס הזה כבר קבע שיא כשיצר גלים אטומיים באורך העולה על חצי מטר. המתקן של פרמילב אמור להפיק גלים באורך שיכול להגיע לעשרה מטרים ואף למעלה מכך. בזמן שגלי האטומים יירדו למעמקי הפיר, פעימת לייזר שנייה תאחד מחדש את החלק המעוֹרָר של כל גל עם חלקו השני, והחוקרים יוכלו לקבוע את התאוצה של האטומים הנופלים על ידי מדידת ההתאבכות בין שני חלקי הגל. מכיוון שהאטומים יהיו בנפילה חופשית לכל אורך התהליך, רטיטות כתוצאה מרעידות אדמה או משאיות חולפות לא אמורות להשפיע במיוחד על המדידות.

MAGIS-100 יפיל בעת ובעונה אחת מיליון גלי אטומים כאלו לאורך חלקו העליון וחלקו התחתון של הפיר. בדיקת דפוסי התאבכות נוספים – אלה שנוצרים בין עננת האטומים העליונה והתחתונה – תאפשר למתקן לסרוק את אזור הניסוי כולו, שגודלו כמגרש כדורגל, ולאתר בו תופעות זעירות שאינן עומדות בקנה אחד עם חוקי הפיזיקה הידועים לנו. כל הבדל פעוט באופן שבו גלי האטומים נופלים, למשל, יחשוף את השפעתו של גורם בלתי מוכר – כגון חלקיקים שטרם התגלו ומצויים במרחב שדרכו הם חולפים. "ככל שצופים יותר זמן [באטומים] הנופלים, כך אפשר למדוד אותם בצורה מדויקת יותר", אומר הפיזיקאי ג'ייסון הוגאן (Hogan) מסטנפורד, שסייע בפיתוח האבטיפוס.

חומר אפל, שהמדענים סבורים שכ-80 אחוז מכלל החומר ביקום מורכב ממנו, אבל אי אפשר לגלות אותו באמצעים רגילים, יוכל לחולל השפעות בנות מדידה בניסוי הזה. במרבית מסעות הציד אחרי החומר האפל, המדענים חיפשו עצמים כבדים שהתיאוריה חוזה את קיומם, הקרויים "חלקיקים מסיביים המקיימים אינטראקציות חלשות" (WIMPs). אולם מאחר שהענקים היחסיים הללו סירבו עד כה בעקשנות להופיע, מתחילים להתארגן צוותי חיפוש חדשים.

בתוך הקהל הצפוף של מודלים המתארים חומר אפל, מתחילים להתבלט חלקיקים אפשריים קלים במיוחד, שפלנקט מכנה "ארץ כלל לא נודעת". רוחות הרפאים הללו יוכלו להשפיע על חלקיקים מוכרים בשלל דרכים, לדברי התיאורטיקן סורג'יט רג'נדרן (Rajendran) מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, המשתתף במיזם MAGIS. מתקן MAGIS-100 אמור להיות מסוגל לזהות שתי התנהגויות שעשויות לנבוע מחלקיקים הקלים מהאלקטרון בשיעור שיכול להגיע למיליארד טריליונים: שינויים בקבועי יסוד או תנודות קלות הנובעות מכוח טבע חמישי שטרם התגלה. המערך הזה יהיה רגיש להבדלים הללו פי כמה מאות או אפילו כמה אלפים יותר מהמכשור הקיים.

לעומת החוקרים המעדיפים לחפש חלקיקים בעלי תכונות מסוימות, שיש תיאוריות החוזות את קיומם, חוקרים אחרים מבקשים לפרוס את הרשת הכי רחבה שהטכנולוגיה מאפשרת. בעבר כבר נעשה שימוש במאיצי חלקיקים באנרגיה גבוהה כדי לערוך חיפוש מדוקדק בממלכת החלקיקים הכבדים המקיימים יחסי גומלין חזקים, אולם נראה שעדיין חסרים כמה חלקים חיוניים במודל הסטנדרטי של הפיזיקה.

"התחושה היא שגילינו דברים בתחום המסות הנמוכות פשוט כי זה התחום הכי זמין עבורנו", אומר הפיזיקאי גריי ריבקה (Rybka) מאוניברסיטת וושינגטון, שאינו מעורב במיזם MAGIS. שותפיו לתחושה הזאת, הוא מוסיף, נמנים עם "קהילה שגדלה כמה וכמה מונים בעשר השנים האחרונות, שינוי שאני עצמי עד לו".

אפילו בלי לדעת מה בדיוק אנחנו מחפשים, MAGIS "ירחיב במידה רבה את הטווח של הניסויים הנוכחיים", אומרת ארווניטקי.

גלי כבידה: אילוסטרציהגל כבידה | אילוסטרציה: Science Photo Library

ואפילו אם החומר האפל פועל בערוצים שאינם גלויים לעיניו של MAGIS-100, המתקן הזה יוכל להתוות את הדרך עבור טכנולוגיית הגלאים של גלי כבידה. אמנם MAGIS-100 לא יוכל לזהות גלי כבידה בעצמו, אבל הוא יוכל לבחון ולפתח טכנולוגיה שייעשה בה שימוש בעתיד, כשיבקשו לשדרג את המכשירים לרגישות גבוהה מספיק כדי לקלוט הפרעות מרחביות קטנות יותר על ידי הפלת עננות של גלים אטומיים שהמרחק ביניהן יעמוד על קילומטר.

מערך כזה יוכל לחוש באדוות מרחב-זמן בתדירויות שכיום הן נמוכות מדי עבור LIGO וגבוהות מדי עבור גלאי החלל העתידי LISA (אנטנת החלל באמצעות אינטפרומטריית לייזר), למשל גלי כבידה שנפלטים מחורים שחורים ומכוכבי ניטרונים לפני התנגשות, מתקן "MAGIS-1000" כזה יוכל לספק לטלסקופים התרעה מוקדמת לפני שההתמזגות תתרחש בפועל.

נכון לעכשיו, החוקרים מקווים לפרוץ דרך חדשה בעולם החומר האפל הקל במיוחד בעזרת MAGIS-100. "אנחנו חייבים לעשות כמיטב יכולתנו", אומר הפיזיקאי טים קובאצ'י (Kovachy), שעובד על מערכת הלייזר באוניברסיטת נורת'ווסטרן. "אנחנו נחושים לא לחסוך כל מאמץ בדרך".

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון פברואר 2020 של כתב העת סיינטיפיק אמריקן