פיסיקאים בחיפוש אחר היד הנעלמה המעצבת את היקום שלנו ואת הגלקסיות שבתוכו הפנו את מבטם אל הצד האפל. באופן ספציפי, צוות אחד מחפש מאחורי כל סלע קוסמי אחר פוטונים כהים, שיכולים להעביר כוח טבע לא ידוע בעבר.
הפוטונים הללו יתווכו את האינטראקציה בין כל החומר הרגיל לדברים הבלתי נראים הנקראים חומר אפל.
אך מדענים כבר הבינו זה מכבר שהטבע נמתח ונמשך ומוחץ ונקרע על ידי ארבעה כוחות ידועים, אז איך יכול היה כוח אחר להסתיר מאיתנו כל כך הרבה זמן? ארבעת הכוחות הידועים הללו מהווים את אבן הפינה לקיומנו היומיומי: הכוח הגרעיני הרודני אך קצר הטווח, הקושר גרעינים אטומיים יחד; הכוח הגרעיני החלש המעורפל והלחשש והשקט, השולט על דעיכה רדיואקטיבית ומשוחח עם החלקיקים התת אטומיים הנקראים נייטרינים; הכוח האלקטרומגנטי הנועז והבהיר, השולט בחיינו; וכוח הכבידה העדין, ללא ספק החלש ביותר ברביעייה.
בעזרת ארבעת הכוחות הבסיסיים הללו, פיזיקאים מסוגלים לצייר דיוקן של עולמות התת-אטומים והמקרוסקופיים שלנו. אין אינטראקציה שאינה כוללת אחת מארבע הדמויות האלה. ובכל זאת, מסתוריות עדיין שופעות ביחס לאינטראקציות ביקום שלנו, במיוחד בסולם הגדול ביותר. כשאנחנו מתקרבים לסולם הגלקסיות ומעבר לה, מתרחש משהו דגי, ואנחנו נותנים לדגיגיות הזו שם של חומר אפל.
האם החומר האפל הוא פשוט ולא מעוטר, או שהוא מסתיר שורה של כוחות לא ידועים בעבר במצמדיו? כעת, צוות בינלאומי של פיסיקאים, המתאר את עבודתם באופן מקוון בכתב העת המקדים arXiv, השתמש במאגר נתונים של ה- Large Hadron Collider - פיצוץ האטומים הגדול בעולם - כדי לחפש כוח כזה. לעת עתה, החיפוש שלהם התגלה ריק - וזה טוב (מעין): זה אומר שחוקי הפיזיקה הידועים שלנו עדיין מחזיקים מעמד. אבל אנחנו עדיין לא יכולים להסביר חומר אפל.
אבוד בחושך
חומר אפל הוא צורה חומר היפותטית שלדבריו מהווה כ 80% - מכל המסה של היקום. זה סוג של עניין גדול. אנחנו לא באמת יודעים מה אחראי לכל הדברים הנוספים הבלתי נראים האלה, אבל אנחנו יודעים שהם קיימים, והרמז הכי גדול שלנו הוא כוח המשיכה. על ידי בחינת תנועות הכוכבים בתוך גלקסיות וגלקסיות בתוך אשכולות, יחד עם התפתחות המבנים הגדולים בקוסמוס, אסטרונומים הגיעו כמעט לכלל המסקנה כי יש יותר ממה שעונה על העין הגלקטית.
שם טוב יותר לחומר אפל עשוי להיות חומר בלתי נראה. אמנם אנו יכולים להסיק אותו מהשפעתו הכבדית (מכיוון ששום דבר לא בורח מעינו הרואה של אלברט איינשטיין), אך חומר אפל פשוט אינו מתקשר עם האור. אנו יודעים זאת מכיוון שאם חומר אפל היה מתקשר עם האור (או לפחות, אם הוא היה מתקשר עם האור באופן שעושה חומר מוכר), היינו רואים את החומר המסתורי עד עכשיו. אך ככל שנוכל לדעת, חומר אפל - לא משנה מה יהיה - אינו סופג אור, אינו משקף אור, מבקע אור, מפזר אור או פולט אור. לגבי חומר אפל, האור הוא פשוט persona non grata; יכול להיות שהוא אפילו לא קיים.
וכך יש סיכוי מוצק שלגדי חלקיקי חומר אפל זורמים בגופך ברגע זה. המסה המשולבת של אותו זרם אינסופי יכולה לעצב את גורלות הגלקסיות באמצעות השפעה כבידתית, אך היא עוברת דרך חומר רגיל ללא אפילו שלום. גס רוח, אני יודע, אבל זה עניין אפל בשבילך.
מביא את האור
מכיוון שאיננו יודעים ממה עשוי חומר אפל, אנו חופשיים להמציא כל מיני תרחישים, ארציים וגם דמיוניים כאחד. התמונה הפשוטה ביותר של חומר אפל אומרת שהיא גדולה ובסיסית. כן, הוא מהווה את הרוב המכריע של מסת היקום, אך הוא מורכב רק מחלקיק בודד ופורה ביותר שלא עושה דבר אחר מלבד מסה. המשמעות היא שהחומר יכול להפיץ את עצמו דרך כוח המשיכה, אך לעולם לא יתקשר עם אף אחד מהכוחות האחרים. לעולם לא נזכה לראות בחומר אפל ולעשות כל דבר אחר.
התרחישים המפוארים מהנים יותר.
כשתיאורטיקנים משתעממים, הם מבשלים רעיונות למה יכול להיות חומר אפל, וחשוב מכך, כיצד נוכל לזהות זאת. השלב הבא בסולם תיאוריות החומר האפל המעניין אומר שהחומר יכול מדי פעם לדבר עם חומר רגיל באמצעות הכוח הגרעיני החלש. רעיון זה מניע ניסויים וגלאים של חומר אפל ברחבי העולם כיום.
עם זאת, התרחיש ההנחה ההוא מניח שעדיין קיימים רק ארבעה כוחות טבע. אם חומר אפל הוא סוג של חלקיק שטרם נראה, אז סביר בהחלט להציע (כי אין לנו מושג אם אנחנו צודקים או לא) שזה מגיע ארוז עם כוח טבע לא ידוע בעבר - או אולי זוג, שיודע ? כוח פוטנציאלי זה עשוי לאפשר לחומר אפל לדבר רק לחומר אפל, או שהוא עשוי לשזור חומר אפל ואנרגיה אפלה (שאנו גם לא מבינים), או שהוא עשוי לפתוח ערוץ תקשורת חדש בין המגזרים הרגילים והאפלים של היקום שלנו. .
עליית הפוטון האפל
פורטל תקשורת מוצע אחד בין התחומים האור והחושך הוא דבר הנקרא פוטון כהה, המקביל לפוטון המוכר (האור) של הכוח האלקטרומגנטי. איננו זוכים לראות או לטעום או להריח את הפוטונים הכהים ישירות, אך הם עשויים להתערבב בעולמנו. בתרחיש זה, חומר אפל פולט פוטונים כהים, שהם חלקיקים מסיביים יחסית. המשמעות היא שיש להם השפעות על טווח קצר בלבד, שלא כמו מקביליהם הנושאים אור. אך מדי פעם פוטון כהה יכול היה ליצור אינטראקציה עם פוטון רגיל, לשנות את האנרגיה והמסלול שלו.
זה יהיה אירוע נדיר ביותר; אחרת היינו שמים לב למשהו פאנקי שקורה עם אלקטרומגנטיות מזמן.
כך, אפילו עם פוטונים כהים, לא נוכל לראות את החומר האפל ישירות, אך נוכל לרחרח את קיומם של הפוטונים האפלים על ידי בחינת גושי אינטראקציות אלקטרומגנטיות. בשבריר זעיר מאותם גזים, פוטון כהה יכול "לגנוב" אנרגיה מפוטון רגיל על ידי אינטראקציה איתו.
אבל כמו שאמרתי, אנו זקוקים לפליקים של אינטראקציות. זה פשוט קרה שבנינו מכונות מדע ענקיות כדי לייצר בדיוק את זה, אז אנחנו במזל.
במאמר arXiv דיווחו הפיזיקאים על תוצאותיהם לאחר שבדקו נתונים בשווי שלוש שנים מ- Super Proton Synchrotron, מאיץ החלקיקים השני בגודלו ב- CERN. לצורך הניסוי הזה ריסקו המדענים את הפרוטונים כנגד המקבילה התת-אטומית של קיר לבנים והביטו בכל החלקים שלאחר מכן.
בהריסות החוקרים מצאו אלקטרונים - הרבה מהם. במהלך שלוש שנים, מדענים ספרו מעל 20 מיליארד אלקטרונים עם אנרגיות מעל 100 GeV. מכיוון שאלקטרונים הם חלקיקים טעונים ואוהבים ליצור אינטראקציה אחד עם השני, האלקטרונים האנרגטיים הגבוהים בניסוי זה הולידו הרבה פוטונים. אם קיימים פוטונים כהים, עליהם לעיתים לקיים אינטראקציה ולגנוב אנרגיה מאחד הפוטונים הרגילים, תופעה שתופיע בניסוי כחוסר אור.
החיפוש הזה אחר פוטונים כהים עלה ריק - כל הפוטונים הרגילים היו נוכחים והתחשבו בו - אבל זה לא לגמרי שולל את קיומם של פוטונים כהים. במקום זאת, זה מציב גבולות לתכונות המותרות של חלקיקים אלה. אם הם קיימים, הם יהיו בעלי אנרגיה נמוכה (פחות מ- GeV, בהתבסס על תוצאות הניסוי) ורק לעיתים רחוקות היו מתקשרים עם פוטונים רגילים.
עם זאת, החיפוש אחר פוטונים כהים נמשך עם הריצות עתידיות של הניסוי שיוצא עוד יותר על היצור המוצע הזה של העולם התת-אטומי.
קרא עוד: "חיפוש על רקע אפל באירועי אנרגיה חסרים עם NA64"
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של "תשאל איש חלל" ו- "רדיו שטח, "ומחבר הספר"מקומך ביקום."
