החלקיק שטורף את הקלפים: האם נפתרה אחת התעלומות הגדולות של היקום?

האם האנושות קיבלה לראשונה הצצה ישירה לחומר האפל? צוות הניסוי LUX-ZEPLIN, המפעיל את גלאי החומר האפל הגדול בעולם, דיווח על אירוע חריג יחיד שלא הצליח להסביר כרעש רקע. החוקרים מדגישים כי מוקדם מאוד לדבר על תגלית, אך אם האירוע אכן נגרם מחלקיק של חומר אפל – הוא עשוי להיות שונה מאוד מהחלקיקים שאותם חיפשו פיזיקאים במשך עשרות שנים.

האירוע הוצג בכנס TeV Particle Astrophysics שנערך ביפן. מדובר ברתיעה של גרעין קסנון באנרגיה גבוהה יחסית, 248 קילו-אלקטרון-וולט, שנקלטה בגלאי LZ. החוקרים ניסו להסביר את האות כתוצאה של נייטרון תועה, קרינת גמא או מקור רקע אחר, אך בשלב זה לא הצליחו למצוא הסבר משכנע.

"השאלה היא איך בכלל מפרשים אירוע אחד", אמר טום שאט, אסטרופיזיקאי חלקיקים במעבדת SLAC וממייסדי פרויקט LZ. לדבריו, הצוות החליט לפרסם את הממצא ולבחון לעומק מה יכול היה לגרום לו. הפיזיקאי התיאורטי וויק האקסטון מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי השווה את התחושה ל"מתנה מתחת לעץ חג המולד" – משהו שמעורר ציפייה גם כשעדיין לא יודעים מה נמצא בפנים.

החומר שמרכיב את רוב היקום – אך איש עוד לא ראה

קיומו של חומר אפל מוסק בין היתר מהאופן שבו גלקסיות מסתובבות ומתאגדות. אף שאי אפשר לראות אותו ישירות, משום שהוא אינו פולט או בולע קרינה אלקטרומגנטית, מדידות של קרינת הרקע הקוסמית מצביעות על כך שהוא מהווה כ-85% מכלל החומר ביקום. במשך שנים התמקדו חוקרים בחיפוש אחר חלקיקים המכונים WIMPs – חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה. לפי המודלים הקלאסיים, הם אמורים להיות כבדים בערך פי 100 מפרוטון, יציבים, וליצור אינטראקציות נדירות מאוד עם חומר רגיל.

הרעיון היה פשוט יחסית: אם חלקיק כזה חולף דרך גלאי ומתנגש בגרעין של אטום, הוא אמור לגרום לו להירתע. אלא ששורה ארוכה של גלאים, שהלכו וגדלו עם השנים, לא הצליחה עד כה לזהות אות חד-משמעי. LZ הוא הגדול שבהם כיום. הוא מכיל כשבעה טונות של קסנון נוזלי מקורר ונמצא בעומק של כ-1,480 מטרים במתקן המחקר התת-קרקעי Sanford שבדרום דקוטה, בתוך מכרה זהב לשעבר. הניסוי החל לאסוף נתונים ב-2021.

עד כה, החיפוש הקלאסי אחר WIMPs לא העלה דבר. בשנה שעברה חיפש הצוות רתיעות גרעיניות בטווח שבין כ-5 ל-55 קילו-אלקטרון-וולט – ולא זיהה אירועים חריגים. כעת הרחיבו החוקרים את טווח החיפוש עד 270 קילו־אלקטרון־וולט, ושם הופיע האירוע החריג היחיד.

אלא שדווקא האנרגיה הגבוהה שלו הופכת אותו לבעייתי מבחינת מודל ה-WIMP הפשוט. אם חלקיק חומר אפל רגיל היה אחראי לאירוע באנרגיה של 248 קילו־אלקטרון־וולט, החוקרים היו מצפים לראות גם אלפי אירועים חלשים יותר באנרגיות נמוכות. אלה לא הופיעו.

אולי החומר האפל מורכב יותר משחשבנו

אחת האפשרויות היא שחומר אפל אינו מורכב מחלקיק יסודי פשוט, אלא ממבנה מורכב יותר – אולי כזה שיש לו מצבים פנימיים שונים, בדומה לאטום. במקרה כזה, החלקיק עשוי להגיב לחומר רגיל רק אם ההתנגשות מספקת מספיק אנרגיה כדי לעורר אותו למצב פנימי גבוה יותר.

למרות ההתלהבות, הנתון המרכזי עדיין רחוק מאוד מרמת הביטחון הנדרשת להכרזה על גילוי.

חוקרי LZ מעריכים כי הסיכוי שהאירוע הוא תנודה סטטיסטית מקרית הוא בערך אחד ל־200. בפיזיקת חלקיקים נדרשת בדרך כלל רמת ביטחון המקבילה לסיכוי של בערך אחד ל־3.5 מיליון שמדובר במקרה, לפני שמכריזים רשמית על תגלית.

גם ההיסטוריה של החיפוש אחר חומר אפל מלאה באותות מבטיחים שנעלמו לאחר שנאספו נתונים נוספים.

וזה בדיוק מה שיכריע הפעם. מאז ניתוח הנתונים שעליו מבוסס המאמר, צוות LZ כבר אסף בערך פי שלושה יותר מידע. אם האירוע אכן נובע מחומר אפל, אירועים נוספים מאותו סוג אמורים להתחיל להופיע.

גם ניסויים אחרים יוכלו לבדוק את הממצא. XENONnT במעבדת גראן סאסו באיטליה, שגודלו דומה יחסית ל־LZ, והדור הבא של PandaX בסין צפויים להיות מסוגלים לחפש גם הם אירועים באנרגיות גבוהות.

אלנה אפרילה מאוניברסיטת קולומביה, דוברת צוות XENON, אמרה כי ניתן יהיה לבצע ניתוח עצמאי ועיוור כדי לאמת או להפריך את האות שזיהה LZ.

בשורה התחתונה, איש עדיין לא יכול לומר שהחומר האפל התגלה. בשלב הזה יש רק אירוע חריג אחד, ללא הסבר ברור. אבל דווקא משום שהוא אינו מתאים בדיוק למה שהפיזיקאים חיפשו במשך שנים, הוא עשוי להתברר כמעניין במיוחד – אם הנתונים הבאים יראו שהוא אינו מקרה חד־פעמי.