גילוי המסה של הניוטרינו ופרס הנובל לפיסיקה 2015
האם היתה לכם פעם הזדמנות לברר מהו חלקיק הניוטרינו? ומדוע השנה תגליות סביבו זיכו את חוקריהם בפרס נובל ? כעת יש לכם הזדמנות להבין זאת
חלקיקי הניוטרינו הם רוחות הרפאים של היקום. אנו מוקפים בהם ובכל שנייה מאות עד אלפי מיליארדים של חלקיקי ניוטרינו עוברים דרך גופנו. אולם, למרות שהם מגיעים לכדור הארץ בכמויות אדירות, קשה מאוד לגלות את חלקיקי הניוטרינו. חידות ותעלומות רבות הקשורות לניוטרינו מטרידות את החוקרים במאה האחרונה כשהמפורסמת שבהן היא בעיית הניוטרינו הסולארית.רוב חלקיקי הניוטרינו המגיעים לכדור הארץ מקורם בתהליכים שבליבת השמש שלנו וכדי לחקור תהליכים אלו נבנו גלאים למדידת שטף הניוטרינו מהשמש, המכונים גם "ניוטרינו סולאריים". להפתעת החוקרים הצליחו כל מדידות הגלאים לגלות רק כשליש מכמות הניוטרינו שציפו החוקרים למצוא. בעיה זו נותרה בגדר תעלומה כשלושים שנה עד אשר תצפיותיהם 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 גילוי זה הם קיבלו את פרס הנובל לפיסיקה לשנת 2015.
מיהו הניוטרינו? הניוטרינו הינו אחד מהחלקיקים הבסייסים המרכיבים את היקום שלנו. הניוטרינו נחזה תיאורטית בשנת 1930 על ידי וולפגנג פאולי כהסבר לתהליך שבו ניוטרון דועך לפרוטון ואלקטרון, תהליך שללא קיומו של הניוטרינו אינו משמר אנרגיה. תהליך זה נקרא דעיכת בטא. בשנת 1956 גילו לראשונה את האנטי חלקיק של הניוטרינו – מה שמוכיח גם את קיומו של הניוטרינו עצמו. מספר שנים לאחר מכן התברר שישנם שלושה סוגים של ניוטרינו – שלושה טעמים: הניוטרינו האלקטרוני, הניוטרינו המיואוני והטאו ניוטרינו.
שלושת סוגי הניוטרינו הם חלקיקים שונים אבל התגלית המרתקת ביותר הייתה שניוטרינו יכול לשנות את סוגו (טעמו) באינטראקציה עם חומר. שינויי סוג הניוטרינו נקרא תנודות ניוטרינו. עם גילוי אפקט תנודות הניוטרינו באה על פתרונה תעלומת הניוטרינו הסולארית: החוקרים ידעו להעריך את כמות הניוטרינו האלקטרוני שצפוי להגיע אל כדור הארץ מהשמש, אך לא לקחו בחשבון שניוטרינו אלקטרוניים יכולים להפוך לסוגי ניוטרינו אחרים (מיואון וטאו ניוטרינו) שאותם הגלאים לא ידעו אז לגלות. זאת הסיבה שרק כשליש מכמות החלקיקים התגלו בגלאי – שני השליש האחרים פשוט השתנו
לסוגי ניוטרינו אחרים.
עוד כותרות ב-nrg:
- כל התכנים הכי מעניינים - בעמוד הפייסבוק שלנו
רמזים ראשונים לתנודות ניוטרינו התגלו לראשונה בשנת 1998 בגלאי סופר-קמיוקאנדה ביפן שבראשו עומד המדען טקאקי קג'יטה. הגלאי נמצא בעומק של כק"מ מתחת לפני האדמה במעמקי ההר קמיוקה במערב יפן, לצד מכרה אבץ. הסיבה שהגלאי נמצא כה עמוק מתחת לפני האדמה (כמו גם שאר גלאי הניוטרינו) היא כדי לסנן עד כמה שאפשר חלקיקים מסוגים אחרים.
חלקיקים אחרים כמו פוטונים ואלקטרונים לא יחדרו מבעד לאדמה ואילו הניוטרינו הינו חלקיק ניטרלי ובעל אינטראקציה מאוד חלשה כך שרוב הניוטרינו שמגיעים לכדור הארץ עוברים מבעד לאדמה ללא הפרעה. Super-K בנוי ממיכל עם חמישים אלף טון של מים אולטרא-טהורים. המיכל מוקף ב 11,146 גלאי אור רגישים במיוחד. אינטראקציה של ניוטרינו עם אחד הפרוטונים במולקולת המים יכולה ליצור אור שנע במהירות גבוהה ממהירות האור במים (אך לא ממהירות האור בריק, כמובן). תהליך זה מלווה בקרינה אופיינית (קרינת צ'רניקוב) הנרשמת על ידי הגלאים ומצביעה על אפשרות של פגיעת ניוטרינו.
בשנת 2001 פורסמה הוכחה נוספת, ניצחת, לכך שחלקיקי ניוטרינו יכולים לשנות את סוגם. מדידות אלו נעשו בגלאי הניוטרינו שבסדבורי, קנדה ובראש הניסוי עומד הפרופסור ארתור מקדונלד, שותף לפרס הנובל לפיסיקה 2015. אמנם קבוצת הניסוי בגלאי סופר-קמיוקאנדה הקדימה אותם, אבל תוצאות הניסוי שלהם לא היו חד משמעיות, והם לא מדדו ישירות את הניוטריו המגיעים מהשמש.
קבוצת החוקרים ב-SNO היו הקבוצה הראשונה שהוכיחה מעבר לכל ספק כי חלקיקי ניוטרינו המגיעים מהשמש מבצעים תנודות ומשנים את סוגם, והתוצאות שלהם תאמו את כל החישובים התיאורטיים. הגלאי של SNO מגלה גם הוא קרינת צ'רניקוב בדומה לSuper- K ובנוי מאלף טון של מים כבדים המוקף בכמעט עשרת אלפים גלאי אור רגישים במיוחד.
אישוש התיאוריה שחלקיקי ניוטרינו יכולים לשנות את סוגם מצביע גם על כך שלחלקיקי הניוטרינו ישנה מסה. גילוי זה תרם רבות להבנת חלקיקי הניוטרינו על סוגיהם, האינטרקציות שלהם וחקר תהליכים בליבת השמש.
למרות הצלחת הניסויים הללו לא תמו עוד התעלומות סביב חלקיק הניוטרינו: חידה נוספת שעוד לא באה על פתרונה היא האם האנטי חלקיקים של הניוטרינו והניוטרינו הם בעצם אותו חלקיק? מכיוון שגם הניוטרינו וגם האנטי חלקיק שלו הם נייטרליים (ללא מטען) טרם הוכחה או הופרכה האפשרות שהם בעצם אותו חלקיק. אם אכן יוכח שהניוטרינו הוא האנטי חלקיק של עצמו – תהיה זו תגלית שתשפיע מאוד על הבנת פיסיקת החלקיקים וקג'יטה ומקדונלד לא יהיו האחרונים לקבל פרס נובל על חקר הניוטרינו.
אנה גריבנין, ממכון דוידסון לחינוך מדעי.
נא להמתין לטעינת התגובות
אקו"ם