החלקיק מהחלל שנמדד במעמקי הים

ספינת המחקר אופטימוס פריים הגיעה ליעדה: נקודה סתמית לכאורה, אי שם בים התיכון, עשרות קילומטרים מחופי סיציליה. מזג האוויר היה סוער, ואם מישהו היה מתבונן בספינה מרחוק מבעד לגשם השוטף, הוא היה רואה מחזה משונה: מהספינה הורד אל תוך המים עצם דומה לרשת דייגים שעמוסה בדגים שמנים. למה שספינה תחזיר דגים לים ולא תדוג אותם? 

מבט קרוב יותר היה מגלה שזו לא רשת דייגים, אלא כלוב מתכת בצורת כדור; ובתוכו לא דגים – אלא חיישנים. הספינה יצאה לדרכה כחלק מהניסוי KM3NeT, שבמסגרתו נבנים טלסקופים למדידת חלקיקי ניטרינו במעמקי הים התיכון. בפברואר 2025 דיווח הניסוי על הישג משמעותי ראשון: מדידת חלקיק הניטרינו בעל האנרגיה הרבה ביותר שנמדדה אי-פעם. מה הם החלקיקים הללו, ובמה טלסקופ ניטרינו שונה מטלסקופ רגיל?

לתפוס רוח רפאים

פוטונים הם חלקיקי אור שנפלטים מכוכבים רחוקים ועושים את דרכם בחלל עד שהם מגיעים לטלסקופ שלנו. הם נעים בחלל כמעט בלי הפרעה, אך כשהם נתקלים בחומר, למשל חלקיקי אוויר באטמוספרה שלנו, הם יכולים להיבלע בו או לנתר ממנו. לכן הטלסקופים המתקדמים ביותר לצפייה בכוכבים מוקמים בחלל – או במקומות גבוהים ויבשים בכדור הארץ, שמספקים תנאי אטמוספריים אופטימליים.

כמו הפוטונים, גם הניטרינו הם חלקיקי יסוד. לפי המודל הסטנדרטי, התיאוריה הפיזיקלית מהמאה ה-20 שמתארת את חלקיקי היסוד והכוחות הפועלים ביניהם, הניטרינים הם חלקיקים חסרי מסה. עם זאת, מדידות מתחילת המאה ה-21 הראו שלניטרינים דווקא יש מסה. הפער בין התיאוריה לניסוי מצית את דמיונם של הפיזיקאים, כי הוא רומז על הימצאותם של עקרונות פיזיקליים שאינם מתוארים על ידי המודל הסטנדרטי. חלק מהתיאוריות טוענות שהמסה הזאת קשורה לקיומו של חלקיק נוסף, שהמודל הסטנדרטי לא חזה. תיאוריות נוספות גורסות שהחלקיק הזה קשור לחומר האפל, אותו חומר שהתיאוריה משערת את קיומו אך עדיין לא נמצא, חומר שמקיף את הגלקסיות ומכתיב את תנועתן. על כן, הבנה טובה יותר של הניטרינו ותכונותיו היא אחת המטרות החשובות ביותר בפיזיקה המודרנית.

בניגוד לחלקיקי היסוד האחרים, הניטרינו מקיים יחסי גומלין עם חלקיקים אחרים רק באמצעות הכוח הגרעיני החלש. הכוח הזה חלש באופן משמעותי מהכוח האלקטרומגנטי, ולכן כשהניטרינו נתקל בחלקיק אחר, הסיכוי שיבצע איתו אינטראקציה נמוך למדי. מסיבה זו הניטרינים יכולים לחצות מרחקים ארוכים ללא הפרעה. אפשר לחשוב עליהם כמו רוח רפאים שעוברת דרך קירות באופן חופשי, ורק לעתים רחוקות מתנגשת בהם. הסיכוי שהניטרינו יבצע אינטראקציה עם חומר הוא כל כך נמוך, עד שהוא יכול לעבור דרך כל כדור הארץ בלי להתנגש באף חלקיק אחר. בגלל התכונה הזאת, מדידה של הניטרינים מאתגרת במיוחד.

טלסקופים מתחת לקרקע

לטלסקופי הניטרינו השונים יש עקרונות פעולה דומים למדי. טלסקופ שממוקם בחלל, למשל, מודד בעיקר פוטונים ומעט מאוד חלקיקי ניטרינו, שרובם פשוט יעברו דרכו. על כן, טלסקופי ניטרינו ימוקמו בדרך כלל מתחת לפני הקרקע, שם לפוטונים ולחלקיקים אחרים קשה הרבה יותר להגיע. בדרך כלל, טלסקופ הניטרינו מכיל תווך נוזלי, ולעתים גם מוצק, בנפח גדול מאוד, וכך גדל הסיכוי שניטרינו יבצע אינטראקציה בגלאי עם האטומים של התווך. האינטראקציה הזאת מובילה להיווצרות חלקיק טעון, למשל אלקטרון, שהתזוזה שלו בתווך יוצרת קרינה שאפשר לגלות בעזרת גלאים.

טלסקופי הניטרינו ברחבי העולם נבדלים זה מזה במאפייני הניטרינים שאותם הם מודדים ובשיטות המדידה. גלאי הניטרינו סופר-קמיוקנדה שביפן נמצא קילומטר מתחת לפני הקרקע בתוך מכרה, והתווך שלו הוא מיכל ענק ובו 50,000 טון מים. גלאי מפורסם נוסף הוא SNO, שפעל בקנדה עד 2006 וחקר בעיקר ניטרינו שמקורם בתהליכים גרעיניים בשמש, על ידי צפייה בהתנגשות שלהם בתוך מיכל ובו אלף טון של מים כבדים. החוקרים ב-Super-Kamiokande וב-SNO, טקאקי קאג’יטה (Takaaki Kajita) וארתור מקדונלד (Arthur McDonald), גילו שלניטרינו יש מסה זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2015. גלאי הניטרינו IceCube שוכן בקוטב הדרומי וחצוב עמוק בקרח העד של אנטרטיקה. הקרח עצמו הוא התווך שבו יבצעו הניטרינים את האינטראקציה. 

טלסקופ במעמקי הים

ניסוי KM3NeT, שיתוף פעולה של עשרות אוניברסיטאות ממדינות שונות, נמצא הרבה יותר קרוב אלינו. במסגרת הפרוייקט נבנים שני טלסקופים בים התיכון, שמשתמשים במי הים בתור תווך נוזלי. הטלסקופ הראשון, ARCA, נועד לקליטת ניטרינים שמקורם בחלל, למשל בתהליכי סופרנובה, התפוצצות כוכב שמגיע לסוף חייו. הגלאים שלו מונחים על קרקעית הים התיכון, בעומק של 3,500 מטר מתחת לפני הים, במרחק של כמאה קילומטר מהעיירה הקטנה פורטופאלו די קאפו פאסרו (Portopalo di Capo Passero) שעל חוף סיציליה. הטלסקופ השני, ORCA, נח בעומק של 2,500 מטר מתחת לפני הים, כארבעים קילומטרים מחופי העיר טולון שבצרפת. הוא מודד ניטרינים שמקורם באטמוספרה, ונוצרים מפגיעה של קרניים קוסמיות באטומים של האוויר.

כל אחד מהטלסקופים מורכב מכמה יחידות של גלאים. כל יחידה נראית כמו שרשרת פנינים, קצה אחד שלה מעוגן בקרקעית הים ושאר השרשרת צפה כלפי מעלה במאונך. כל כדור דמוי פנינה בשרשרת מכיל 31 חיישנים, והם נועדו לקלוט את הקרינה שתיווצר מהניטרינים שיתנגשו במי הים. החוקרים מתכננים לבנות 230 שרשראות ל-ARCA, כל אחת באורך 150 מטר, ו-115 שרשראות ל-ORCA, כל אחת באורך 700 מטר, כך שהטלסקופים יכללו בתוכם גם מיליוני טונות של מי ים.

ההתקנה של כל גלאי היא תהליך סבוך ויקר, ולכן כל טלסקופ נבנה בהדרגה. בכל שנה מתקיים מבצע ימי שבו נוספות עוד שרשראות לכל טלסקופ. מעמיסים על ספינת מחקר מספר יחידות של השרשראות. כל שרשרת ארוזה במעין כלוב, כמו “רשת הדייגים” שתוארה בתחילת הכתבה, ומטרתו היא לשמור על הציוד שבתוכו ולוודא שהוא נפרק בבטחה. הכלוב מוטל אל הים על ידי מנוף ושוקע לקרקעית הים בעזרת עוגן שמחובר אליו. על קרקעית הים, הכלוב משתחרר מהעוגן ומתחיל לצוף כלפי מעלה תוך כדי סיבוב. במהלך התנועה הסיבובית הכלוב משחרר עוד גלאי ועוד גלאי, כמו חוט של יויו – רק שבמקרה הזה, היויו נע כלפי מעלה.

באוקטובר 2024, במבצע שנמשך כחודש, הצליחו חברי הצוות להוסיף על קרקעית הים 33 יחידות ל-ARCA ו-24 יחידות ל-ORCA. כל שנה יתווספו לטלסקופים עוד יחידות, ובנייתם צפויה להסתיים ב-2028. לאחר מכן KM3NeT צפוי לפעול ולספק מדידות במשך 15 שנה, אך כבר ברגע שהגלאים מונחים הם מתחילים לפעול, והפיזיקאים יכולים להשתמש בנתונים שמתקבלים מהם. ככל שיתקינו יותר יחידות של הטלסקופ, התוצאות יהיו מדויקות יותר ויגדילו את הסיכוי לתגליות חדשות, שעשויות לשנות את פניו של מדע הפיזיקה.

הנחת יחידה של ORCA בתוך הים:

הניטרינו המסתורי

ב-13 בפברואר 2023, בשעה 3:16 לפי שעון ישראל, נרשמה תנועה של ניטרינו בגלאי ARCA. לניטרינו הזה הייתה אנרגיה גבוהה וחריגה של 220 פטה אלקטרון וולט, כלומר 10 בחזקת 15 אלקטרון וולט, שהוא יחידת מידה למדידת אנרגיה של חלקיקים. זו אנרגיה גבוהה בערך פי 10,000 מהאנרגיה שבה מתנגשים החלקיקים במאיץ החלקיקים בשוויץ, והיא האנרגיה הגבוהה ביותר של ניטרינו שנמדדה אי פעם. כך נשבר השיא של הגלאי IceCube, שמדד ניטרינו עם אנרגיה של כ-6 פטה אלקטרון וולט. 

מדידת הניטרינו היא התגלית המשמעותית הראשונה של KM3NeT, והמאמר שתיאר אותה הופיע בעמוד השער בכתב העת Nature. מה גרם לניטרינו להגיע לאנרגיה כה גבוהה? ביקום מתרחשים אירועים קוסמיים רבי עוצמה שיכולים לשמש כמאיצי חלקיקים, אך רק מעטים מהם מסוגלים להביא את החלקיקים לאנרגיות עד כדי כך גבוהות. אפילו בסופרנובה אין מספיק אנרגיה כדי ליצור אירוע כזה. ככל הנראה האירוע שנמדד לא התרחש בגלקסיית שביל החלב שלנו, שבה אין פעילות מוכרת שיכולה להביא לאנרגיה כזו. 

אפשרות אחת היא שזהו גרעין גלקטי פעיל, כלומר אזור קטן שקיים במרכזן של גלקסיית מסוימות, ואוצר בתוכו אנרגיה רבה, כך שיכולים להתרחש בו אירועים רבי עוצמה. בגלקסיית שביל החלב אין גרעין גלקטי פעיל שכזה. אפשרות נוספת היא התפרצות קרני גמא, שיכולות להיות מספר סיבות להיווצרותן, בין השאר התנגשות של כוכבים מסיביים. לא ברור מקורו של הניטרינו רב האנרגיה, אך זו תחנה משמעותית בדברי הימים של ניסוי KM3NeT, והיא מעוררת תקוות לגבי ההמשך.

“קִראו לי ישמעאל” – כך נפתח מובי דיק, ספרו האלמותי של הרמן מלוויל, בתרגומו של אהרון אמיר. “לפני שנים אחדות – אין זה חשוב כמה בדיוק – בעת שלא היה, או כמעט לא היה, כסף בארנקי, ולא היה לי דבר שיעניין אותי על החוף, אמרתי בלבי שאולי אפליג מעט כה-וכה ואֶראֶה את חלקו המימי של העולם”/ ייתכן מאוד שצעיר הרפתקן מסוגו של ישמעאל, שהיה חי היום ולא במאה ה-19, היה מוותר על ציד הלוויתנים ויוצא למסע בלב ים כדי לצוד ניטרינים.