האם מדענים גילו כוח מסתורי חמישי ביקום?

shutterstock

פיזיקאים מסכימים כבר זמן רב שיש ארבעה כוחות המעצבים את היקום שלנו, מותחים אותו, מועכים אותו ולפעמים גם קורעים חלקים ממנו לגזרים. ארבעה ולא יותר. מהכוח הגדול אל הקטן אנחנו מכירים את כוח הגרביטציה, שאמנם הוא החלש מכולם אך הוא זה שמגבש את הגלקסיות ואת הכוכבים; את הכוח האלקטרומגנטי המאפשר את החשמל ורבים מהתהליכים הכימיים בגופנו; ועוד שני כוחות גרעיניים, החזק והחלש, הפועלים בקנה מידה זעיר בגרעין האטום.

לצד אלה, נצפות בשנים האחרונות כמה תעלומות מטרידות שעדיין לא נמצא להן הסבר מְסַפֵּק, וחלקן קשורות לשאלה “ממה בכלל מורכב היקום שלנו”. למשל, כשמסתכלים על ההתנהגות של הכוכבים והגלקסיות מבחינים בתופעה מוזרה. המהירויות של רבים מהם כלל אינן תואמות לצפי של המשוואות שלנו, בעיקר של משוואות הגרביטציה. האם זה אומר שהמשוואות שגויות? ייתכן, אבל קיימת גם אפשרות נוספת. מרכיב חשוב בחישוב הגרביטציה הוא המסה של הגופים המושכים זה את זה – ככל שהמסה גדולה יותר, כך גדל גם כוח הכובד. האם קיימת אפשרות שהפערים נובעים מכך שמסתתר שם חומר שנעלם מאתנו שאותו לא הכנסנו לחישובים, ושבגללו כוחות הכובד הפועלים ביקום הם גדולים בהרבה ממה שהחישובים שלנו מראים?

כבר עשרות שנים מקובלת האפשרות השנייה הגורסת שאכן קיים חומר נסתר כזה והוא קיבל (בשנות ה-30) את השם המפוקפק “חומר אפל”. לא רק שרבים מקבלים את קיומו, אלא שעל פי ההשקפה המקובלת הוא מרכיב כ-85 אחוז מסך החומר ביקום שלנו. למעשה, החומר מהסוג שמוכר לנו, זה שאנחנו יכולים לראות דרך הטלסקופים, מרכיב רק את 15 האחוזים הנותרים^[1]. אלו נתונים מדהימים. הבעיה היחידה היא שלמרות המאמצים הרבים, אף אחד לא הצליח לאתר חומר אפל שכזה ולהבין מהו.

וזו לא התעלומה היחידה. בתחילת 1998 שתי קבוצות מחקר שונות הפתיעו את קהילת האסטרופיזיקה. במהלך שנות ה-90 הן רצו ללמוד על קצב ההאטה של התפשטות היקום וצפו בסופרנובות מרוחקות. לתדהמתן הן גילו שבניגוד לציפיות, לא רק שהיקום הולך ומתפשט יותר, אלא שקצב ההתפשטות אף הולך ומאיץ. מה דוחף את ההתפשטות המואצת הזאת? גם כאן גויס מונח קודר למדי – “אנרגיה אפלה”, רק ששוב, למרות מאמצים עצומים, עד היום האנרגיה הזו מעולם לא נצפתה ישירות ואף אחד אינו יודע מהי בעצם.

בשנים האחרונות מגוון חוקרים, ובמיוחד צוות חוקרים מהמכון למחקר גרעיני של הונגריה, טוענים שהמודל הסטנדרטי המדבר על ארבעה כוחות רואה רק חלק מהתמונה. בדוחות של שני ניסויים שהריצו במאיץ החלקיקים שלהם הם טוענים כי מצאו עדויות לקיומו של כוח נוסף, נסתר. הם אף מציעים שהוא פועל על החומר האפל.

“החלקיק שמצאנו, ה-‘X17′ יכול להיות משהו שמחבר בין חומר נראה לחומר שאינו נראה. זה בעצם כלי מחקר חדש ללמוד על החומר האפל”, מסביר לי בריאיון פרופ’ אטילה יאנוש קרזנהורקי, החוקר המוביל בצוות ההונגרי, ומוסיף שאם אכן מדובר בחלקיק של כוח חמישי הפועל ביקום, “כוח כזה הוא מחוץ למודל הסטנדרטי. זה פותח את השער לפיזיקה חדשה”.

פרופ’ אטילה יאנוש קרזנהורקי ולשמאלו בנו, ד”ר אטילה קרזנהורקי. שותפים למחקר לאיתור החלקיק המסתורי

מחפשים באפלה

בתחילת שנות ה-30 של המאה הקודמת, כשהאסטרופיזיקאי השוויצי-אמריקני, פרופ’ פריץ צוויקי (Zwicky), בחן את צביר הגלקסיות “קומה” המכיל יותר מאלף גלקסיות, הוא ראה שם משהו מוזר. מצד אחד, נראה היה שהחומר שם דליל – אין הרבה חומר בגלקסיות האלו, כך שכוח המשיכה שהן מפעילות זו על זו חלש למדי. מצד שני, כשבחן את המהירויות בהן הגלקסיות נעות, הוא ראה שהן גבוהות מהצפוי. אם כך, איך ייתכן שצביר הגלקסיות אינו מתפרק כשהגלקסיות מתרחקות במהירות אלו מאלו? פרופ’ צוויקי העלה את האפשרות המהפכנית שמעבר לחומר שהוא ראה בגלקסיות השונות, מסתתר בצביר גם חומר נוסף, שאותו לא ניתן לראות, וגם הוא תורם את חלקו לכוחות הגרביטציה הקושרים את הצביר. פרופ’ צוויקי קרא לחומר המסתורי הזה בגרמנית dunkle Materie (“חומר אפל”).

אבל חלפו שנים עד שהתייחסו לרעיון הזה ברצינות. רק בשנות ה-70, כשהאסטרונומית ורה רובין, ממכון קרנגי למדע בארה”ב, צפתה בגלקסיית אנדרומדה וניתחה את המהירויות של הכוכבים השונים שבה, היא התחילה להבין שצריך לשנות את המודלים הקיימים. בדומה לממצאים של פרופ’ צוויקי, גם הניתוח שלה הראה פער לא מוסבר בין המהירות הגבוהה של הכוכבים החיצוניים של הגלקסיה לבין כוח המשיכה הנמוך שבה – על פי כמות הכוכבים שמראים הטלסקופים. ביחד עם שותפה למחקר, ד”ר קנט פורד, הם מצאו פערים דומים גם בגלקסיות רבות אחרות, והתקבלה ההבנה שהגלקסיות האלו, וכנראה גם היקום כולו, מכילים הרבה יותר חומר מכפי שאנחנו יכולים לראות.

“אחד הדברים המוזרים ביותר שלמדנו הוא שרוב החומר ביקום מורכב ממשהו השונה לגמרי ממני וממך, אבל שבלעדיו, היקום, כמו שאנחנו מכירים אותו, לא היה קיים. כל מה שאנחנו יכולים לראות עם [כל סוגי] הטלסקופים מרכיב 15 אחוז מהמסה הכוללת ביקום. כל דבר אחר לא פולט או קולט אור. אנחנו לא יכולים לראות את זה עם העיניים שלנו, אבל אנחנו יודעים שהוא שם, בגלל ההשפעה שלו על מה שאנחנו כן יכולים לראות”, מסבירה פרופ’ ריזה וצ’סלר, חוקרת חלקיקים ואסטרופיזיקה מאוניברסיטת סטנפורד, בהרצאת טד. “[החומר האפל הזה אולי] נשמע מופשט, רחוק, וכנראה שאפילו לא רלוונטי. הדבר המעניין הוא שהוא מסביבנו וכנראה שממש כאן. למעשה, כנראה שחלקיקי חומר אפל עוברים דרך גופך ממש ברגע זה”^[2].

בהמשך הרצאתה, פרופ’ וצ’סלר מפרטת את כיווני המחקר המגוונים בהם ניסו למצוא עדויות ממשיות לקיומו של החומר האפל. החל מהניסויים שעשו במאיץ החלקיקים (הגדול בעולם) בצרן (CERN) שבשווייץ בהם ניסו לייצר חלקיקי חומר אפל ועד לתצפיות בחלל של חוקרים שקיוו לתעד חלקיקי חומר אפל מתנגשים אלו באלו, בתקווה שיפלט אור מההתנגשות. היו גם חוקרים שחיפשו עקבות שחומר כזה משאיר כשהוא עובר בכדור הארץ, למשל דרך חומר דחוס במיוחד, שאפשר למצוא במעמקי האדמה. “לעת עתה, כל הניסויים האלו לימדו אותנו המון על מה החומר האפל הוא לא, אבל עדיין לא לימדו אותנו על מה הוא כן. היו רעיונות מצוינים לגבי מה חומר אפל יכול היה להיות, אבל הם עדיין לא ראו אותו. אז אנחנו צריכים להמשיך לחפש”.

בשנים האחרונות החיפושים הורחבו לגזרה נרחבת יותר – “הסקטור האפל”, ולא מדובר במשחק הווידאו של פלייסטיישן. כשצמד חוקרים מאוניברסיטת ניו יורק בחן את תנועת הכוכבים בצביר הגלקסיות “קליע”, השוכן כ-3.7 מיליארד שנות אור מאתנו ומורכב משני צבירי גלקסיות המתנגשים אלו באלו, הם הופתעו מהמהירות הגבוהה של הצבירים המתנגשים. הם סברו שכוח המשיכה לבדו אינו יכול להסביר את המהירויות הגבוהות האלו והציעו את קיומו של כוח חדש, חמישי, הפועל על החומר האפל שבשני הצבירים^[3]. כך, בשנים האחרונות כבר לא מדברים רק על חלקיקים מסתוריים של חומר אפל אלא על מגזר שלם, סקטור של חלקיקים אפלים וכוחות מסתוריים הפועלים עליהם.

פרופ’ אטילה יאנוש קרזנהורקי במעבדתו במאיץ שבדברצן, הונגריה | תמונה: [ATOMKI]

זוויות מפתיעות

פרופ’ אטילה קרזנהורקי (Krasznahorkay) מהמכון למחקר גרעיני של האקדמיה ההונגרית למדעים מחפש עדויות לחומר האפל כבר יותר מ-15 שנה. למעשה, מי שהכניס אותו לתחום היה ד”ר פוקה וו. נ. דה בואר (Fokke. W. N. de Boer) ההולנדי, שחיפש במשך שנים רבות חלקיק מסתורי בשם “אקסיון” – חלקיק היפותטי של החומר האפל. דה בואר נעזר לשם כך במאיץ החלקיקים הקטן במכון למחקר גרעיני בהונגריה.

כפי שמסביר לי פרופ’ קרזנהורקי בריאיון, המאיץ הקטן שבהונגריה התאים לד”ר דה בואר כיוון שהחלקיקים שהוא חיפש היו קלים יחסית (בעלי מסה נמוכה), ואנרגיות גבוהות מדי היו מסבכות את הניסויים. ד”ר דה בואר אפילו השקיע וצייד את המאיץ בספקטרומטר (מכשיר מדידה שעוזר לזהות חומרים על פי האור שהם מקרינים) שמתאים בדיוק לניסויים אלו.

“הוא חיפש אותם הרבה שנים. השקיע המון בחיפוש אבל לא מצא דבר”, מספר לי פרופ’ קרזנהורקי ומוסיף בצער שביולי 2010 ד”ר דה בואר הלך לעולמו. בעקבות כך, במאיץ ההונגרי עצרו את המחקר בתחום למשך שנתיים. ב-2012, כשפרופ’ קרזנהורקי ושותפיו חזרו למחקרים של ד”ר דה בואר, הם ביצעו שינויים קלים ובמהרה הופתעו לראות את התוצאות.

התהליך שהם בדקו אינו מהפכני בתחום. הם נעזרו בווריאציה (איזוטופ) לא יציבה ועתירת אנרגיה של היסוד המתכתי בריליום (Be-8) כדי לבדוק לאילו מרכיבים הוא מתפרק. לפעמים, שניים מתוצרי ההתפרקות הזו הם צמד חלקיקים דומים, המנוגדים רק במטען החשמלי שלהם: אלקטרון והמקביל שלו בחלקיקי האנטי חומר – “פוזיטרון”. כתוצאה מההתנגשות שהופעלה במאיץ החלקיקים, הצפי היה שהאלקטרונים והפוזיטרונים יצאו פחות או יותר לאותו כיוון, אבל כשפרופ’ קרזנהורקי בדק יותר לעומק הוא גילה שכמה מהזוגות נפרדו ופנו לכיוונים שונים, בדרך כלל בזווית של 140 מעלות זה מזה.

“ניסוי אטלס” ב-CERN, שם ד”ר קרזנהורקי הבן יחפש את החלקיק המסתורי | תמונה: [ATLAS Experiment 2020 CERN]

“כמובן ששמחנו מאוד מהתגלית המפתיעה, אבל עם זאת, לא הצלחנו להבין מה קרה שם. הפיזיקה הגרעינית לא הצליחה להסביר את זה”, הוא מספר. ההשערה שלהם הייתה שבאותם מקרים חריגים, האלקטרון והפוזיטרון לא מגיחים ישר מהבריליום אלא שבאמצע נוצר לזמן קצר חלקיק מסתורי נוסף. כשהוא מתפרק, האלקטרון והפוזיטרון מתרחקים זה מזה לכיוונים שונים.

כשפרופ’ קרזנהורקי ושותפיו בחנו את המאפיינים של אותו חלקיק מסתורי הם הצליחו לחשב את המסה שלו – בסביבות 17Mev (מגה אלקטרון וולט) ומכאן גם נגזר שמו –”X17″. ממצאים אחרים הראו שמהירות הסיבוב שלו סביב עצמו (ספין) מתאימה בדיוק לסוג מסוים מאוד של חלקיקים נושאי כוח הנקראים “בוזונים”. “אז עוד יותר לא היה לנו מושג מה זה כי המודל הסטנדרטי לא מכיר בוזונים קלים שכאלו”, נזכר פרופ’ קרזנהורקי.

כדי להבין מדוע הגילוי יכול להיות משמעותי, כדאי שנתייחס לתפקיד החשוב של חלק מהבוזונים. הזכרנו קודם שהמודל הסטנדרטי מתייחס לארבעה כוחות מוכרים ביקום. לכל אחד מהכוחות האלו יש בוזון מיוחד משלו שהוא למעשה חלקיק של אנרגיה שמעביר את הכוח. המוכרים לנו ביותר הם הפוטונים, שעל פי רוב אנחנו מכירים בתור חלקיקי אור, אבל יש להם תפקיד חשוב נוסף – הם נושאים את הכוח האלקטרומגנטי. באופן דומה, לכוח הגרעיני החזק קיימים בוזונים הנקראים “גלואונים”.

כעת התגלה בוזון חדש, קל ביותר, שלא היה מוכר עד היום. הממצאים היו מהפכניים, וצוות החוקרים הקפיד לבדוק אותם שוב ושוב, ואפילו לצייד את המעבדה בציוד מדידה מדויק יותר. רק כעבור כמעט ארבע שנים הם הרגישו בטוחים מספיק לפרסם את התגלית^[4].

בשלב זה הקהילה המדעית הגיבה בזהירות מסויגת והמאמר עורר עניין מוגבל למדי. מי שכן הרימו את הכפפה, והמשיכו לפתח את הממצאים, הם קבוצת פיזיקאים תיאורטיים מאוניברסיטת קליפורניה באירוויין, בהובלת פרופ’ ג’ונת’ן פנג ^[5](Feng).

“פרופ’ פנג היה הראשון שהציע במאמר שלו, שהבוזון שגילינו הוא חלקיק נשא כוח של כוח חדש, חמישי”, מסביר פרופ’ קרזנהורקי.

בינתיים, החוקרים ההונגרים המשיכו לחפש את ה-X17 גם בהתפרקויות של חומרים אחרים. הם עדיין לא היו משוכנעים שהבוזון החדש הוא אכן נשא כוח של כוח חדש. הם הצליחו לאתר אותו שוב כשהפגיזו במאיץ החלקיקים שלהם אטומים של הגז הליום (He-4). ממצאיהם פורסמו בפעם הראשונה ב-2019^[6].

למחקר הזה הצטרף חוקר שיקר לליבו של קרזנהורקי – בנו, גם הוא נקרא אטילה. ד”ר קרזנהורקי הצעיר הספיק כבר לקחת חלק במחקר קודם של אביו ביחד עם ד”ר דה בואר. בשנים האחרונות הוא עובד במאיץ החלקיקים הגדול בצרן שבשוויץ. “אני גאה בו מאוד. במחקר שלנו הוא כתב עבורנו את התוכנה. אבל בשנים האחרונות אנחנו רחוקים, אני פוגש אותו כמעט רק בחגים”, מספר לי קרזנהורקי האב.

מאז הפרסום ב-2019 התעורר העניין ב-X17 ובמשמעויות שלו. המחקר עלה לכותרות, אך כל עוד אין מי שהצליח לשחזר את הממצאים האלו, הסקרנות מלווה פעמים רבות בהסתייגויות ובספקות.

לגבי המשך המחקר, פרופ’ קרזנהורקי מספר שלאחרונה צוות הפיזיקאים התיאורטיקנים של פרופ’ פנג הציע ניסוי שיעזור לזהות טוב יותר את טיבו של ה-X17 – להבחין האם אכן מדובר בחלקיק נושא כוח (בוזון) של כוח חמישי או שאולי מדובר בחלקיק חומר אפל, אותו אקסיון מסתורי או משהו שדומה לו. ממש בימים אלו עובד הצוות ההונגרי על הניסוי הזה, והם צפויים לפרסם את הממצאים בעוד מספר חודשים. ומעבר לזה? בעתיד הקרוב הוא מקווה למצוא את ה-X17 גם בניסויים על פחמן, ובהמשך גם על חומרים נוספים.

יש לא מעט קבוצות שמנסות לשחזר את הממצאים שלכם.

“כן, יש כמה קבוצות שמנסות. במינכן, באזור רומא, קבוצה עצמאית בשוויץ (שלא קשורה לצרן) ויש גם קבוצה ברוסיה. גם בצרן יתחילו בקרוב. עכשיו עצרו את פעולת המאיץ שם, אבל בשנה הבאה, כשיפעילו אותו מחדש, שלושה ניסויים שונים יחפשו שם את החלקיק הזה”.

איך אתה מסביר שלעת עתה אף קבוצה אחרת לא הצליחה לשחזר את הממצאים?

“רוב החוקרים האלו לא משחזרים בדיוק את הניסוי שלנו, אלא מנסים בכיוונים אחרים. הקבוצה באיטליה למשל מנסה את הכיוון ההפוך, הם מפגישים אלקטרון עם פוזיטרון.

“לרוב, לקבוצות האחרות חסר הציוד המתאים. אנחנו פיתחנו את הציוד שלנו כבר מספר שנים, אבל לאחרים עוד אין ציוד כזה. זה עידן חדש במחקר: עד עכשיו חוקרי הפיזיקה הגרעינית לא עבדו עם ספקטרומטרים כאלו וגם לחוקרים מתחום פיזיקת החלקיקים אין ציוד מתאים, כי זה חלקיק שהמסה שלו קלה יחסית בשבילם. והשנה הזאת, הקורונה עיכבה עוד יותר את המאמצים של הקבוצות האחרות”.

אם כן, נותר רק להמתין ולראות האם הממצאים של פרופ’ קרזנהורקי אכן יפתחו צוהר לפיענוח החידה הגדולה של החומר האפל הנמצא בנו ומסביבנו, ויעידו האם הכוח החמישי המסתורי של היקום באמת קיים.

1. Dark Energy, Dark Matter, Nasa.gov
2. Risa Wechsler, The search for dark matter – and what we’ve found so far, Ted, 2020
3. Springel, Farrar, The speed of the ‘bullet’ in the merging galaxy cluster 1E0657−56, Mon. Not. R. Astron. Soc, 2005
4. Krasznahorkay, Csatlós, Csige, +11, Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Indication of a Light Neutral Boson, Phys Rev Lett, 2016
5. Feng, Fornal, Galon, +4, Protophobic fifth-force interpretation of the observed anomaly in 8be nuclear transitions, Phys Rev Lett, 2016
6. Firak, Krasznahorkay, Csatlós, +8, New evidence supporting the existence of the hypothetic X17particle, arXiv, 2019