בערך 80% מכל החומר בקוסמוס הוא בצורה בלתי ידועה לחלוטין לפיזיקה הנוכחית. אנו קוראים לזה חומר אפל, כי כמיטב יכולתנו לדעת שזה… אפל. ניסויים ברחבי העולם מנסים לתפוס חלקיק של חומר אפל תועה בתקווה להבין אותו, אך עד כה הם הופיעו ריקים.
לאחרונה הציע צוות תיאורטיקנים דרך חדשה לצוד אחר חומר אפל בעזרת "חלקיקים" מוזרים המכונים מגונים, שם שלא סמלתי רק. אדוות התיאורטיקנים אומרות כי אדוות זעירות אלה יכולות לפתות אפילו חלקיק חומר כהה חולף וקל משקל.
פאזל החומר האפל
אנו יודעים כל מיני דברים על חומר אפל, למעט הבולט במה שהוא.
למרות שאיננו יכולים לאתר זאת ישירות, אנו רואים את העדויות לחומר אפל ברגע שנפתח את הטלסקופים שלנו ליקום הרחב. הגילוי הראשון, עוד בשנות השלושים, הגיע דרך תצפיות על מקבצי גלקסיות, חלק מהמבנים הגדולים ביקום. הגלקסיות שאכלסו בהן פשוט נעו מהר מכדי להיות מוחזקות כאשכול. הסיבה לכך היא שהמסה הקולקטיבית של הגלקסיות נותנת את הדבק הכבידתי שמחזיק את האשכול יחד - ככל שהמסה גדולה יותר, כך הדבק חזק יותר. דבק סופר חזק יכול להחזיק יחד גם את הגלקסיות הנעות במהירות. כל מהר יותר והאשכול פשוט יתפרק.
אבל שם היו הקבצים, קיימים, עם גלקסיות שזיזו בתוכם הרבה יותר מהר ממה שהיה צריך לתת למסה של האשכול. למשהו היה אחיזת כבידה מספקת בכדי להחזיק את האשכולות יחד, אבל שמשהו לא פולט או מתקשר עם האור.
תעלומה זו נמשכה ללא פיתרון לאורך העשורים, ובשנות השבעים העלתה האסטרונומית ורה רובין את האנטה בגדול דרך תצפיות על כוכבים בתוך גלקסיות. שוב, הדברים התקדמו מהר מדי: בהתחשב במסתם שנצפה, הגלקסיות ביקום שלנו היו צריכות להתפצל לפני מיליארדי שנים. משהו החזיק אותם יחד. משהו בלתי נראה.
הסיפור חוזר על פני כל הקוסמוס, הן בזמן והן במרחב. מהאור הקדום ביותר מהמפץ הגדול ועד למבנים הגדולים ביקום, יש משהו פאנקי שם בחוץ.
מחפש בחושך
כך שחומר אפל נמצא שם מאוד - אנחנו פשוט לא יכולים למצוא שום השערה קיימא אחרת שתסביר את צונאמי הנתונים לתמיכה בקיומם. אבל מה זה? הניחוש הטוב ביותר שלנו הוא שחומר אפל הוא סוג של חלקיק אקזוטי חדש, שעד כה לא ידוע לפיזיקה. בתמונה זו חומר אפל מציפה כל גלקסיה. למעשה, החלק הגלוי של הגלקסיה, כפי שנראה דרך כוכבים וענני גז ואבק, הוא רק מגדלור זעיר הממוקם מול חוף כהה וגדול בהרבה. כל גלקסיה יושבת בתוך "הילה" גדולה המורכבת מזיליון על זיליון חלקיקי חומר כהה.
חלקיקי החומר האפל האלה זורמים בחדר שלך ברגע זה. הם זורמים דרכם. מקלחת גשם בלתי נגמרת של חלקיקי חומר אפל זעיר ובלתי נראה. אבל אתה פשוט לא שם לב אליהם. הם אינם מתקשרים עם אור או עם חלקיקים טעונים. אתה עשוי מחלקיקים טעונים ואתה מאוד ידידותי לאור; אתה לא נראה לחומר אפל וחומר אפל לא נראה לך. הדרך היחידה שאנו "רואים" חומר אפל היא באמצעות כוח הכבידה; כוח הכבידה מבחין בכל צורה של חומר ואנרגיה ביקום, כהה או לא, ולכן בקנה המידה הגדול ביותר אנו רואים את השפעת המסה המשולבת של כל אותם אינספור חלקיקים. אבל כאן בחדר שלך? שום דבר.
אלא אם כן, אנו מקווים, יש דרך אחרת שחומר אפל יוצר אינטראקציה עםנו עם חומר רגיל. יתכן שחלקיק החומר האפל, לא משנה מה זה, מרגיש גם את הכוח הגרעיני החלש - שאחראי על דעיכה רדיואקטיבית - פותח חלון חדש לתחום נסתר זה. תאר לעצמך לבנות גלאי ענק, רק מסה גדולה מכל אלמנט שיהיה לך שימושי. חלקיקי חומר אפל זורמים דרכו, כמעט כולם ללא הפסקה. אבל לפעמים, עם נדירות התלויה במודל הספציפי של חומר אפל, החלקיק החולף מקיים אינטראקציה עם אחד הגרעינים האטומיים של היסודות בגלאי דרך הכוח הגרעיני החלש, מכה אותו לא במקום והופך את כל המסה של הגלאי רועד.
היכנסו למגנון
מערך הניסוי הזה עובד רק אם חלקיק החומר האפל כבד יחסית, ומעניק לו מספיק אורף בכדי לדפוק גרעין באחד מאותם אינטראקציות נדירות. אך עד כה, אף אחד מגלאי החומר האפל ברחבי העולם לא ראה זכר לאינטראקציה, גם לא לאחר שנים ושנים של חיפושים. ככל שהניסויים התקרבו לאורך הדרך, נשללה אט אט המאפיינים המותרים של חומר אפל. זה לא בהכרח דבר רע; אנחנו פשוט לא יודעים ממה מורכב החומר האפל, כך שככל שנדע יותר מה זה לא, כך ברור התמונה יותר של מה זה יכול להיות.
אבל היעדר תוצאות יכול להיות מעט מדאיג. המועמדים הכבדים ביותר לחומר אפל נפסלים, ואם החלקיק המסתורי קל מדי, הוא לעולם לא ייראה בגלאים כפי שהם הוקמו ברגע זה. כלומר, אלא אם כן יש דרך אחרת שחומר אפל יכול לדבר עם חומר רגיל.
במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת המקוון arXiv של ההדפס המקדים, פיסיקאים מפרטים מערך ניסויים מוצע שיכול לזהות חלקיק של חומר אפל בפועל לשינוי סחרור האלקטרונים (אם, למעשה, חומר אפל יכול לעשות זאת). במערך זה ניתן לאתר פוטנציאל חומר אפל, גם אם החלקיק החשוד בהיר מאוד. זה יכול לעשות זאת על ידי יצירת מה שמכונה מגונים בחומר.
העמידו פנים שיש לכם נתח חומר בטמפרטורה של אפס מוחלט. כל הספינים - כמו מגנטים בר קטנים וקטנטנים - של כל האלקטרונים באותו החומר יצביעו לאותו כיוון. כשאתה מעלה לאט את הטמפרטורה, חלק מהאלקטרונים יתחילו להתעורר, להתנועע ולהפנות באופן אקראי את הספינים שלהם בכיוון ההפוך. ככל שאתה מעלה את הטמפרטורה, כך גדלים יותר האלקטרונים - וכל אחד מההיפוכים הללו מפחית את העוצמה המגנטית בקצת. כל אחד מהסיבובים ההפוכים הזה גורם גם מעט אדווה באנרגיה של החומר, וניתן לראות את ההנפות הללו כחלקיקים, לא חלקיק אמיתי, אבל משהו שאתה יכול לתאר בעזרת מתמטיקה בצורה זו. החלקיקים הללו מכונים "מגנטים", כנראה מכיוון שהם כמו מגנטים קטנים וחמודים.
אז אם אתה מתחיל עם חומר קר באמת, וחלקיקי חומר כהה מספיק פוגעים בחומר ומפנים כמה ספינים מסביב, תבחין במג'ונים. בגלל הרגישות של הניסוי ואופי האינטראקציות, הגדרה זו יכולה לגלות חלקיק חומר כהה קל.
כלומר, אם זה קיים.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר מקומך ביקום.
