על-נוזליות בנויטרינו?

מאמר שפורסם מתאר, תיאורטית, תהליך שבו "נוזל" של חלקיקי נויטרינו מגיע למצב של על-נוזליות. אולם ספק אם הוא יכול להתרחש בפועל

מאמר, שנכתב על ידי ג'ו קפוסטה (Kapusta) מאוניברסיטת מינסוטה, עוסק בהתהוות מצב של על-נוזליות (הזהה עקרונית לעל-מוליכות באלקטרונים) בנוזל המורכב מחלקיקי הנויטרינו החמקמקים. במאמר נטען כי התהליך אפשרי, תיאורטית, אך כנראה לא נצפה בו בזמן הקרוב – בין השאר משום שרוב החלקיקים המעורבים בו טרם נצפו.

 

אם קיים מצב כזה בטבע, ייתכן כי המקום למצוא אותו יהיה בתוך כוכבי נויטרונים דחוסים שהתקררו במשך מיליוני שנים (אין לבלבל בין נויטרונים, חלקיקים הנמצאים בגרעיני האטומים ובכוכבי נויטרונים, לבין נויטרינים, שהם חלקיקים שונים מהותית המקיימים אינטראקציה קלושה למדי עם היקום).

 

תופעת העל-מוליכות מתרחשת כאשר חלקיקים נמצאים במצב אנרגטי נמוך מאוד. על-מוליכות מתהווה כאשר אלקטרונים יוצרים מעין זוגות, המכונים זוגות קוּפֶּר, בהם בני הזוג הם הפוכי ספין ותנע. כידוע, אלקטרונים הם בעלי מטען חשמלי שלילי, ודוחים זה את זה חשמלית. מניין, אם כן, יבוא כוח מושך אשר יצוות אותם לזוגות?

 

המשיכה בין האלקטרונים מקורה באינטראקציה שלהם עם היונים בגוש החומר שבו הם נמצאים, המסודר כסריג. היונים, שהם האטומים ללא אלקטרוני ההולכה, טעונים במטען חשמלי חיובי ומסודרים במקומות קבועים ברחבי הסריג. האלקטרונים מושכים קלוֹת את היונים שבסריג, וגורמים לשינויים זעירים בצפיפותם.

 

שינויים אלה בצפיפות היונים מושכים אלקטרונים אחרים. כלומר, האלקטרונים אינם מושכים זה את זה ישירות, אלא מבצעים אינטראקציה באמצעות היונים שבסריג. המשיכה גורמת ליצירת זוגות קופר, אשר מאפשרים לחומר לרדת לרמת אנרגיה נמוכה ויציבה, ולתופעת העל-מוליכות להתרחש.

 

תהליך דומה אמור להתרחש עבור חלקיקי הנויטרינו. מדובר בחלקיקים נייטרליים, ולכן לא ניתן לדבר על הולכה חשמלית או על "על-מוליכות". לכן אנו עוסקים בזרימה בלתי מופרעת אשר נתייחס אליה כאל "על נוזליות". כפי שאלקטרונים בזוגות קופר הם הפוכי ספין, כך חלקיקי הנויטרינו בזוג אמורים להיות בעלי "בוֹרגיות" (helicity) הפוכה.

 

הבורגיות היא תכונה של החלקיק, המתארת את היטל הספין שלו על כיוון התנע שלו: הוא יכול להיות מקביל לכיוון התנע (בוֹרגיות ימנית) או הפוך (בורגיות שמאלית). ה"זוג" שבו מדובר כולל חלקיק נויטרינו בעל בורגיות ימנית ונויטרינו נוסף בעל בורגיות שמאלית. כאן צצה הבעיה הראשונה: מעולם לא נצפו חלקיקי נויטרינו בעלי בורגיות ימנית.

 

עד כה, רק חלקיקי אנטי-נייטרינו הראו בורגיות ימנית. מבחינה תיאורטית, אם הנויטרינו חסר מאסה (כפי שהונח עד לאחרונה) קיימים רק מצבים בעלי בורגיות שמאלית. אולם תגליות חדשות יחסית, לפיהן חלקיקי הנויטרינו הם בעלי מאסה (אם כי קטנה עד מאוד), מרמזות כי ייתכן שקיימים חלקיקי נויטרינו בעלי בורגיות ימנית, אשר טרם נצפו.

 

אם נניח כי מתקיימים שני בני הזוג, מהו הגורם המתווך שיאפשר את המשיכה ביניהם? חלקיקי הנויטרינו אינם מתקיימים בתוך סריג של יונים, כמו האלקטרונים. לרוב הם נעים במרחב הריק, אך המרחב הריק מכיל, תיאורטית, חלקיקים הקרויים "בּוֹזוֹני היגְס". אלה חלקיקים משמעותיים מאוד במודלים תיאורטיים מקובלים, והאינטראקציה שלהם עם חלקיקי הנויטרינו, בהנחה שהללו בעלי מאסה, יכולה להניב את התוצאה המבוקשת של היווצרות הזוגות. אך כאן צצה בעיה נוספת: גם חלקיקי ההיגס לא ניצפו מעולם.

 

אישור קיומם של חלקיקי היגס הוא אחת המטרות החשובות של פיזיקת החלקיקים בימינו. מאיצי חלקיקים רבי-עוצמה דרושים כדי להגיע לאנרגיות בהן ניתן יהיה לצפות בבוזוני היגס. ייתכן כי גילוי חלקיקי היגס הוא רק שאלה של זמן וטכנולוגיה. המצב בעייתי יותר עבור חלקיקי נויטרינו עם בורגיות ימנית.

 

אם הם קיימים לא ברור מה טיבם ומדוע מעולם לא נצפו. קיימת גישה הטוענת כי חלקיקים כאלה קיימים, אך הם מקיימים אינטראקציה כמעט אפסית עם עולמנו, אינטרקציה חלשה פי 10 בחזקת 26 מזו של נויטרינו רגיל, ולכן מעולם לא נצפו; גישה אחרת אומרת כי הם נעים בממדים נוספים, שאנו, הכלואים בשלושת ממדי המרחב שלנו, לא יכולים לצפות בהם.

 

מודל אחר מאפשר טיפול אפקטיבי יותר בנויטרינים בעלי בורגיות ימנית, אך הוא דורש שינויים בתפישתנו את ההבדלים בין חומר ואנטי-חומר. במקרה זה מדובר בחלקיקים כבדים יחסית המתקיימים למשך זמן קצר מאוד.

 

היווצרות הזוגות המתוארת במאמר מניחה את קיומם של חלקיקי נויטרינו "ימניים" כבדים יחסית המתקיימים למשך פרק זמן משמעותי. ההתייחסות לכוכב נויטרונים כאל סביבה אפשרית לקיום התהליך מתבססת על כך שגופים אלה הם מאסיביים וצפופים מאוד, ולכן עשויים למשוך אליהם חלקיקי נויטרינו כבדים וליצור צפיפות נויטרינו מספקת.