בעקבות החומר האפל הקל (שקשה מאוד לגלות)

אחת מהתעלומות הגדולות שנותרו עדיין ללא מענה בפיזיקה של ימינו היא מהות החומר האפל. היה זה אייזיק ניוטון שהסביר לראשונה את כוח המשיכה המחזיק כוכבים בתנועה זה סביב זה. תורתו של ניוטון התפתחה והוכללה ליחסות הכללית שפיתח אלברט איינשטיין. אולם ניתוח של תצפיות אסטרונומיות בתנועת הגלקסיות והכוכבים לימד אותנו כי תיאוריות אלו אינן יכולות להסביר את התצפיות, אלא אם הרוב המוחלט של החומר ביקום והגורם המרכזי לכוח המשיכה אינו החומר הסטנדרטי שאנחנו מכירים היטב, אלא מה שקיבל את הכינוי חומר אפל (Dark Matter).

החומר האפל הוא ההסבר המקובל לכך שכוכבים לא בורחים מהגלקסיות שלהם. כמות החומר האפל ביקום הנדרשת כדי להסביר את התצפיות האסטרונומיות גדולה פי חמש יותר מהחומר הנראה שמורכב מאטומים מוכרים. במילים אחרות, הפיזיקה עדיין מחפשת את מה שמהווה למעלה מ- 80% מהיקום. למרות חיפושים בלתי נלאים במאיצי חלקיקים, בתצפיות אסטרונומיות ובגלאים ייעודיים, המדע טרם הצליח לפענח את זהותו החלקיקית של החומר אפל: מהי  מסתו, אילו כוחות (בנוסף לכבידה) פועלים עליו, כיצד הוא מגיב עם החומר הנראה, וכיצד הוא נוצר ביקום המוקדם, לפני יותר מ-13 מיליארד שנה.

משימה בלתי אפשרית?

אחת הדרכים לחפש חומר אפל היא לטמון גלאים רגישים במיוחד בעומק האדמה, שלשם חלקיקי חומר אנרגטיים שמגיעים בקצב גבוה לכדור הארץ מהחלל, כמעט ואינם חודרים. על פי התיאוריה המקובלת, בשל סיבוב כדור הארץ סביב השמש וסיבוב השמש סביב מרכז הגלקסיה, אנו חולפים על פני מיליארדי חלקיקי חומר אפל בכל רגע נתון.  אם חומר זה מגיב עם הגלאי אפילו רק בסבירות נמוכה מאוד, מדי פעם אחד מאותם חלקיקים אפלים יוכל ״לבעוט״ באחד מהחלקיקים המרכיבים את הגלאי, ולהעביר כמות מזערית של אנרגיה, אותה המדענים מנסים לאתר.

ככל שהחומר האפל קל יותר, כך כמות האנרגיה שהוא יכול להעביר קטנה יותר, והמשימה הופכת מקשה לבלתי אפשרית בשיטות גילוי אלו. מכאן, האתגר המרכזי הוא פיתוח גלאים רגישים במיוחד, אתגר המחייב פיתוח גישות חדשות לגילוי, המאפשרות רגישות שיא לאותות נמוכים ואפשרות להבחין בינם לבין סיגנלים מדומים.

טכנולוגיה בעלת רגישות גבוהה

עתה, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מעריכים כי פיתוח טכנולוגי חדש עשוי להביא לפריצת דרך בגילוי חלקיקי החומר האפל. לטכנולוגיה החדשה רגישות גבוהה ורעש רקע הנמוך ביותר שנמדד אי פעם בגלאי סיליקון, שעשוי לסייע בגילוי חלקיקי החומר האפל, שהמסה שלהם נמוכה מאוד וקשה מאוד לאתר אותם.

הטכנולוגיה פותחה על ידי חוקרים מישראל, מארה"ב ומארגנטינה. בקבוצת המחקר הישראלית חברים החוקרים: פרופ׳ תומר וולנסקי, ד״ר לירון ברק ופרופ׳ ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר של אוניברסיטת תל אביב.

שלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל

לפני כעשור הציע פרופ׳ תומר וולנסקי עם שותפים מארה"ב שיטה חדשה ורגישה במיוחד, הבוחנת את האינטראקציה של חומר אפל עם האלקטרונים – אותם חלקיקים תת-אטומים החגים סביב גרעיני האטום – ובכך מאפשרת את החיפוש אחר חומר אפל קל, שעד לאותו הזמן נחשב לבלתי ניתן לגילוי.

בעקבות הפיתוח הרעיוני, פותח לאחרונה גלאי חדש על ידי הקולבורציה הבינלאומית SENSEI, שבה שותפים גם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב. הגלאי החדש, הנקרא Skipper-CCD, מאפשר לגלות את שחרורו של אלקטרון בודד מתוך טריליוני הטריליונים של האלקטרונים החגים בו. בחודשים האחרונים החלה התקנה של הגלאי במעבדה התת קרקעית, SNOLAB שבקנדה, ותוצאות ראשונות צפויות בשנה הבאה. הפיתוח מביא לשלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל. 

על פיתוח זה, זכה פרופ' תומר וולנסקי בפרס היוקרתי "פריצת דרך-אופקים חדשים בפיזיקה 2021" (Breakthrough Prize- The New Horizons in Physics Prize).  הפרס הוענק על ידי קרן "פריצת דרך" (Breakthrough Prize), שנוסדה בשנת 2012 על ידי פילנתרופ המדע יורי מילנר, במטרה להוקיר תרומות משמעותיות לידע האנושי. הפרס מוענק מדי שנה לחוקרים בתחומי המתמטיקה, הפיזיקה ומדעי החיים.