חלל: חוקרים מחפשים אחר החומר האפל המסתורי

במעבדות תת קרקעיות ברחבי העולם מתרחש מירוץ לאיתור החומר האפל - הדבק הקוסמי הבלתי נראה השומר על הגלקסיות מפני התפרקות.

למעשה זה עשרות שנים ברור למדענים שלא כל החומר שהם רואים בעין (או לצורך העניין בטלסקופים בכל רוחבי הפס האפשריים) הוא החומר הקיים בגלקסיות. ניתן להרגיש את השפעת הכבידה של הגלקסיות, וכמותו גדולה יותר מאשר מה שניתן לקלוט במכשירים. מי שיגלה את טבעו של החומר האפל יוכל לפתור את המסתורין הגדולים ביותר של המדע המודרני ויהיה לו או לה חצי רגל בפרס נובל.

• באתר "הידען": הושלמה הליכת החלל השניה של צוות האנדוור
  

אבל עדיין מדובר משהו שהוא קצת יותר מסתם תרגיל חשיבה. תיאור החומר האפל, בצירוף הבנת כוח מסתורי עוד יותר - האנרגיה האפלה, יוכל לסייע לחשוף את גורלו של היקום.

ניסיונות ציד קודמים של החומר התיאורטי הזה הסתיימו בלא כלום, אך דבר זה לא מונע מכ-20 צוותי חוקרים לנסות לנבור במעמקי מכרות נטושים ופירי מנהרות כדי לאתר הבזקים קצרים של החומר האפל.

מכונות חזקות יותר

המכונות המשמשות כיום לצייד חומר אפל חזקות יותר מאשר הדורות הקודמים של הציוד, אך גם הטובות ביותר שבהן נכשלו עד כה מללכוד אפילו את הניחוח של החומר הזה. צוותים רבים בונים כעת גלאים גדולים יותר או משתעשעים בטכנולוגיות חדשניות כדי לסייע בחיפוש.

"אנו נמצאים בתור הזהב של חיפוש חומר אפל" אומר שון קארול, פיסיקאי תאורטיקן במכון הטכנולוגי של קליפורניה, אשר לא משתתף באף צוות חיפוש. "יש סיכוי שהצוותים המחפשים יגיעו לפריצת דרך כלשהי".

מהו החומר האפל?

המדענים מודים בכך שהם מגששים באפילה בכל הקשור לחומר האפל. התיאוריה המובילה היא שהחומר הזה הוא הצטברות של מסתם של חלקיקים אקזוטיים זעירים שנשארו מהמפץ הגדול – שהתרחש לפני 13.7 מיליארד שנה.

החומר האפל, המרכיב כרבע ממסתו של היקום קיבל את שמו משום שהוא אינו פולט אור או חום. האסטרונומים יודעים כי הוא קיים בשל ההשפעה הכבידתית שלו על הכוכבים והגלקסיות. ואולם בין הידיעה על קיומו של החומר והבנת טבעו יש עדיין מרחק רב. מרבית הניסויים מחפשים חלקיקים תאורטיים המכונים WIMPS או חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה עם חלקיקים אחרים – חלקיקים אלה הם המועמדים המובילים לתפקיד החומר האפל.

המכונות הבנויות בהתאמה אישית המוצבות באתרים תת קרקעיים מחכים כולם לרגע הנדיר שבו יפגע WIMPS במולקולות שבמכשיר ויגרום לרתיעה אלסטית. הניסויים חייבים להתבצע מתחת לאדמה כדי למנוע מקרניים קוסמיות מלהפריע לתוצאות. ההנחה היא שהוימפים חודרים כל חומר שהוא ולכן הם יעברו את שכבת האדמה.

חוקר החומר האפל, ניל ספונר מאוניברסיטת שפילד באנגליה, מסכם זאת כך: "יש לנו למעשה מחט בערמת שחת ואנו צריכים לנסות להסיר את החציר. אנו זקוקים לטכנולוגיה טובה יותר כדי לאתר את האירוע שאנו מחפשים ולדחות את האשפה".

ניסויים תת קרקעיים פועלים כעת במכרות ברזל נטושים במיניסוטה ובמערות בקנדה, אנגליה, צרפת, איטליה יפן ורוסיה. בחודש שעבר בחרה הקרן הלאומית למדע במכרה זהב בדרום דקוטה לאתר שבו תותקן אחת המעבדותה גדולות והעמוקות ביותר מסוגם בכל העולם - גדולה פי 6 מהאמפייר סטייט בילדינג אך תקועה עמוק באדמה.

התחרות היא אכזרית והפיזיקאים רבים ביניהם באיזו טכנולוגיה ישתמשו במתקן. הטכנולוגיה המובילה בשנים האחרונות מכונה CDMS - ראשי תיבות של חיפוש חומר אפל קריוגני (cryogenic dark matter search).

במכשירים אלה משתמשים בגבישי סליקון וגרמניום קרים במיוחד בגודל של דיסק הוקי כדי לאתר את התנודות החמקמקות של התנגשות ווימפ. מכשירים חדשים יותר משתמשים בגזים אצילים כגון זנון וטכנולוגיות חדשות מציעות שימוש בחדרים המלאים בבועות נוזלות מחוממות מאוד.

"עד היום לא קיים המכשיר המושלם לאיתור חומר אפל. לכולם יש את החסרונות והמגבלות שלהם", אומר חואן קולאר, פיזיקאי חלקיקים באוניברסיטת שיקאגו, וחבר צוות המכונה COUPP.

חלק מהחוקרים סקפטים

"ייתכן שלא חשוב איזה ניסוי נערוך, לא נמצא כלום" אומר סטיב אלן מאוניברסיטת בוסטון, שביחד עם שותפיו מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ואוניברסיטת ברנדיס, בונים אב טיפוס שיותקן מתחת לקרקע בשנה הבאה, במקום שעדייין לא נקבע.

עד כה היו כמה אזעקות שווא באשר לאיתור החומר האפל. בשנת 2000, הודיעו מדענים איטלקים שעבדו במעבדה תת קרקעית בהרי גראן סאסו באיטליה כי גילו אותות של החומר האפל, אך עד כה איש לא הצליח לחזור על התוצאות והן לא זכו להכרה רבה בקהילה המדעית. החוקרים האיטלקים עובדים מאז על הדור השני של הגלאים ומקווים להשיג תוצאות חדשות בשנה הבאה.

החיפוש אחר החומר האפל החל בשנות השלושים של המאה ה-20 כאשר אסטרונום שוויצרי – פריץ צוויקי מקאלטק התבונן בטלסקופ וקבע כי חסרה מסה ביקום, לפי מה שמראות התצפיות על תנועת גרמי השמים. לקח לרעיון זמן מה להבשיל אך כעת הוא נושא כאמור לפעילות מחקר ענפה.

גלאי חומר אפל יקרים, הן בשלב הבניה שלהם ובמיוחד בשלבי התפעול והשידרוגים. רבים מהפרויקטים ממומנים בידי מגוון מקורות, לדוגמה הקרן הלאומית למדע השקיעה 21 מיליון דולר בשנת 2000 על ששה פרויקטים לרבות CDMS וזנון 10. נסיונות לאיתור חומר אפל נעשים גם מהחלל.

נאסא מתכננת לשגר את טלסקופ GLAST בשנה הבאה, כדי לחקור התפרצויות קרני גאמא שנוצרו ככל הנראה בידי התנגשות בין גופי חומר אפל. יתכן גם שהחוקרים ייצרו חומר אפל במעבדה כמו במאיץ הארדון הגדול הנבנה בגבול צרפת-שווייץ - אפילו לפני שיאשרו את קיומו ביקום או מתחת לאדמה.

בכל אופן, לא כל עורכי הניסויים התת קרקעיים מהמרים על WIMPS. ניסוי אקסיון לאיתור חומר אפל במעבדות הלאומיות לורנס ליברמור ינסה לאתר חלקיקים תיאורטיים אחרים המכונים אקסיונים. השלב הראשון של הפרויקט הסתיים ב-2003, בלא כל אותות, ולאחרונה התקבל אור ירוק ממשרד האנרגיה לשדרג את מכשירי הניסוי.

איש אינו יודע כמה זמן יימשך המירוץ הזה, ואף אחד גם לא מנחש. "כדור הבדולח חמקמק" אמר הפיזיקאי לזלי רוזנברג, דובר פרויקט אקסיון שהוסיף כי "טבע החומר האפל ייחשף".