חומר בלתי נראה מחלחל ליקום ומשנה את מסלולי הכוכבים והגלקסיות.
חומר כהה זה כביכול מפעיל משיכה כבידתית, אך לעולם אינו מתקשר עם האור. איש אינו יודע ממה הוא עשוי ולא ניתן היה לזהות עד כה. אולם תיאוריה חדשה יכולה סוף סוף לספק דרך לבחון חומר אפל.
חומר אפל עשוי להיות מורכב מחצי מגנטים מוזרים, כך אמרו פיסיקאים תיאורטיים מאוניברסיטת קליפורניה, דייוויס, במצגת שנערכה ב- 6 ביוני בכנס פלאנק 2019 בגרנדה, ספרד. ועל ידי הפעלת מיקרוסקופ אלקטרונים חזק (עד כה, שאינו קיים עדיין), נוכל סוף סוף לזהות אותם.
אך לא כל הפיזיקאים משוכנעים.
"אני חושבת שזה מסודר, אבל לא מאוד מבטיח", אמרה סבין הוסנפלדר, עמיתת מחקר במכון לפרנקפורט ללימודים מתקדמים, שלא היה חלק מהמחקר. "יש אין סוף הרבה חלקיקים שאתה יכול להמציא שעשויים להמציא חומר אפל." זו רק עוד אחת מהן, הוסיפה.
"עבור כל אחד מהחלקיקים האלה אתה יכול לעשות המון חישובים, לפרסם מאמרים ולחשוב ניסויים, אותם תוכל לנסות להשיג מימון עבורם," אמרה. "אם יש לך מזל באמת, מישהו יעשה את הניסוי שלך - ואז לא ימצא שום דבר."
המסע אחר חומר אפל
אף כי התיאוריות מנבאות שקיים חומר אפל, אין לנו מושג באמת איך הוא נראה או איך הוא עשוי. במשך זמן מה היה "סיפור יפהפה" שהחומר האפל מורכב מבהמה ביישנית וביישנית של חלקיק המכונה חלקיק מסיבית חלש, או WIMP, אמר מחבר המחקר החדש, ג'ון טרנינג, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, דייויס.
במשך שנים חיפשו מדענים אחר החלקיקים האיטיים והלא נטענים באמצעות מאיצי חלקיקים חזקים. אולם ככל שחלף הזמן, פיסיקאים פסקו יותר ויותר מועמדי WIMP - והרעיון הפופולרי איבד את המתיחה. אם כי לא נשללה לחלוטין, "במשך 10 השנים האחרונות אנשים חושבים על אפשרויות אחרות מלבד WIMPs," אמר טרנינג.
תיאוריה אחרת מציעה שחומר אפל מורכב למעשה מחלקיקי אור, או פוטונים.
"בנוסף לפוטונים הרגילים שאנחנו יכולים לראות, יכולים להיות כמה פוטונים שאנחנו לא יכולים לראות," אמר טרנינג. מה שמכונה "פוטונים כהים" אלה הם חלקיקים היפותטיים שיש להם מסה, אך הם קלים יותר מאלקטרונים. פוטונים כהים יוצרים אינטראקציה - אם כי חלשה למדי - עם פוטונים רגילים.
במחקר חדש זה בנו Terning והחוקר הפוסט-דוקטורט שלו כריסטופר ורהארן על תיאוריה זו, והציעו כי חומר אפל עשוי להיות מורכב מחצי-מגנטים כהים. חצי-מגנטים היפותטיים אלה יהיו גרסאות כהות של המונופולים המבוקשים, או המגנטים. שיש להם רק עמוד אחד, הציע הפיזיקאי פול דיראק לראשונה בשנות השלושים. (למרות עשרות שנים של ציד, אף אחד עדיין לא מצא שום עדות להם בטבע.)
דיראק לא הציע רק מונופולים; הוא גם הציע כי אלקטרון הנע סביב מונופול יושפע מהשדה המגנטי שלו. לכן, אם התיאוריה של טרנינג ורהרן צודקת, והגרסאות האפלות של מחצית המגנטים הללו אורבות איפשהו ביקום - ואם אותם חצי-מגנטים כהים פועלים כמו המונופול של דיראק - הם גם היו משאירים רמזים עדינים בנתיבי האלקטרונים.
אם קיימים מונופולים כהים הם היו פולטים פוטונים כהים שיכולים להפוך לפוטונים רגילים לפני שהם נקלטים על ידי אלקטרונים, אמר טרנינג. אינטראקציה זו תגרום לאלקטרונים להסתובב או לשנות מסלול רק מעט, ותייצר דפוס הפרעות הנקרא אפקט אהרונוב-בוהם. (אלקטרונים הם לא רק חלקיקים, הם גם גלים, ודפוס התערבות הוא מה שמופיע כאשר הפסגות והעמקים ב"משוואת הגלים "של האלקטרונים מוסיפים או מבטלים זה את זה, ויוצרים סדרה של אור מקביל ו קווים כהים.) טרנינג ורהרן מציעים שהם יוכלו לאתר את השינוי הקל ביותר הזה בדפוסי הפרעות האלקטרונים באמצעות מיקרוסקופים אלקטרונים.
נרגש מהשמש
אם קיים חומר אפל, הוא נמצא בנו ובסביבנו - כולל בכל מיקרוסקופ קרן אלקטרונים וסביבתו היינו משתמשים בכדי לאתר אותו. אבל כדי לאתר חומר אפל דרך הפרעות האלקטרונים שלו, חצי המגנטים המוזרים המרכיבים חומר אפל יצטרכו להיות בעלי שדה מגנטי חזק מספיק. זה אומר שחצי המגנטים הללו צריכים להיות בעלי אנרגיה רבה.
מונופולים העוברים ליד השמש עלולים להתלהב, להשיג יותר אנרגיה ואז לפלס את דרכם לכדור הארץ, אמר טרנינג. הוא צופה שכחמישה ממונופולים נרגשים אלה ביום יעברו משהו בגודל המיקרוסקופ של קרן האלקטרונים המוצעת שלהם. "זה לא רע מכיוון שגלאי WIMP רגילים היו שמחים אם הם יקבלו חמישה אירועים בשנה," אמר.
בנוסף, השינוי בשלב האלקטרונים שנגרם על ידי חצי מגנטים כהים יהיה כה זעיר, בכדי לזהות אותו, נצטרך מיקרוסקופים עם קרן אלקטרונים ברזולוציה גבוהה להפליא - אלה שקיימים כיום כנראה אינם חזקים מספיק . מיקרוסקופ אלקטרונים זה יצטרך לקבל רזולוציה שגדולה פי חמישה מאלו הקיימים כיום, אמר טרנינג.
בכל מקרה, אנו מקווים "לגרום לאנשים האלה עם מיקרוסקופי האלקטרונים המפוארים המעוניינים לחפש זאת" או שאנחנו "אולי נצטרך לבנות עוד אחד רק כדי לשבת ולחכות לחומר אפל", אמר טרנינג.
התיאוריות השונות המתחרות של החומר האפל יספרו לנו סיפורים שונים לחלוטין על התהוות היקום הקדום, אמר. מה שכן, ברגע שתבינו ממה בעצם עשוי חומר אפל - בין אם מדובר בחלקיקים קלים או כבדים - אנשים יכולים להעלות על הדעת ליצור מפעלים של חומר אפל, מסוגים שונים, כאן על כדור הארץ. "אם זה מאוד קל, אתה לא צריך הרבה אנרגיה כדי לייצר חומר אפל משלך."
המדענים פרסמו את המחקר שלהם לכתב העת preprint arXiv. זה טרם נבדק על ידי עמיתים.
