במשך עשרות שנים מנסים פיזיקאים ברחבי העולם לפענח את אחת התעלומות הגדולות של המדע: מהו החומר האפל? למרות שהוא מהווה את רוב החומר ביקום ומשפיע באופן מכריע על כוח הכבידה של גלקסיות, החומר האפל אינו פולט, בולע או מחזיר אור – ולכן נותר בלתי נראה ולא נלכד עד כה באופן ישיר. כעת, צוות חוקרים בינלאומי, בהובלת חוקרי האוניברסיטה העברית, מציג כיוון חדש ופורץ דרך לחיפוש אחר חלקיקי חומר אפל קלים במיוחד.
חומרים קוונטיים חדשים שעשויים להאיץ באופן דרמטי את החיפוש אחר חומר אפל
(הדמיה: נוצר באמצות בינה מלאכותית, באדיבות האוניברסיטה העברית)
המחקר, שפורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters, הובל על ידי פרופ' יונית הוכברג והדוקטורנט רותם עובדיה ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית, בשיתוף ד"ר דינו נובקו מהמכון לפיזיקה בקרואטיה ופרופ' אנטוניו פוליטנו מאוניברסיטת ל'אקווילה באיטליה. הצוות שילב ידע מפיזיקת חלקיקים, פיזיקה של מצב מוצק ומדע החומרים כדי להתמודד עם התעלומה הקוסמית.
מכיוון שחלקיקי חומר אפל קלים מותירים פגיעה אנרגטית מזערית בלבד כשהם פוגשים בחומר רגיל, גילויים דורש גלאים רגישים באופן יוצא דופן. החוקרים זיהו שלושה חומרים קוונטיים בעלי תכונות אלקטרוניות ייחודיות – טיטניום דיסלניד (TiSe₂), סטרונציום רוטנאט (Sr₂RuO₄) ויהלום באילוח חיובי – המסוגלים להגביר באופן טבעי את האותות הזעירים הללו. באמצעות סימולציות קוונטיות מתקדמות, הראו החוקרים כי גלאים שיבוססו על חומרים אלו, ובפרט על טיטניום דיסלניד, יציגו רגישות הגבוהה פי מאות עד אלפים מהגלאים המתקדמים ביותר הקיימים כיום.
תמונה זו של נאס"א מציגה שני צבירי גלקסיות עצומים, שצולמו בעבר על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב וטלסקופ החלל צ'נדרה של נאס"א, כאשר אזורים שבהם ייתכן שקיים חומר אפל מסומנים בצבע כחול
(צילום: NASA/AP)
תמונה זו, שצולמה ב-16 בנובמבר 2017 באמצעות טלסקופ החלל האבל, מציגה את הגלקסיה NGC 1052-DF2 (האזור הבהיר במרכז). ניתן להבחין בגלקסיות נוספות הנשקפות דרכה. על פי מחקר שפורסם ב-28 במרץ 2018, בכתב העת Nature, הכוכבים בגלקסיה יוצאת-דופן זו נעים במהירות מבלי להיות מושפעים באופן ניכר מחומר אפל
(צילום: P. van Dokkum/NASA/ESA/AP)
יתרון משמעותי נוסף שהתגלה במחקר הוא "רגישות כיוונית", כלומר שחלק מהחומרים מגיבים באופן שונה בהתאם לזווית שבה פוגע בהם החלקיק. מכיוון שכדור הארץ מסתובב סביב עצמו, תכונה זו תייצר תנודתיות יומית צפויה באות הנמדד – נתון שיאפשר לחוקרים להבדיל בקלות בין פגיעה אמיתית של חומר אפל לבין "רעשי רקע" סביבתיים. "החומר האפל נותר אחת התעלומות הגדולות בפיזיקה", מסבירה פרופ' הוכברג. "כדי לחשוף את טבעו, אנחנו צריכים לחשוב מחדש לא רק על החלקיקים שאנו מחפשים, אלא גם על החומרים שבהם אנו משתמשים כדי לחפש אותם. הזיהוי של חומרים קוונטיים שמגבירים באופן טבעי את האותות הזעירים סולל דרך לדור חדש של ניסויים ברגישות שלא הייתה אפשרית עד כה".
פרופ' יונית הוכברגצילום: נועם חיהחוקרים מציינים כי החומרים שהוצעו נגישים לייצור בטכנולוגיות קיימות, ויכולים להשתלב כבר בעתיד הקרוב במערכות גילוי מתקדמות כדי לפתוח חזית מחקרית חדשה במפגש שבין פיזיקת חלקיקים, חומרים קוונטיים וטכנולוגיית גלאים. "מדהים לראות איך שילוב בין תחומי מדע שונים יכול להוביל לפריצות דרך מדעיות. כשמשלבים ידיים ועובדים ביחד, אפשר להגיע רחוק", מסכמת פרופ' הוכברג.
