חוקרים מאוניברסיטת רייס, הפיזיקאי קאדן האזרד ותלמידו לשעבר ז'יואן וואנג, הוכיחו מתמטית את האפשרות לקיומם של מה שנקרא פרחלקיקים. חלקיקים אלה, הם אומרים, אינם בוזונים ולא פרמיונים, שני סוגי החלקיקים העיקריים המוכרים למדע המודרני. העבודה פורסמה ב מגזין טבע .
במשך זמן רב האמינו שכל העולם הנצפה מורכב מבוזונים ופרמיונים, שונים בתכונותיהם. בוזונים יכולים לתפוס את אותו מצב בכל מספר, והפרמיונים מצייתים לעקרון ההדרה של פאולי, המגביל את נוכחותם במצב יחיד. עם זאת, חישובים תיאורטיים חדשים מראים שחלקיקים מחוץ לקטגוריות אלה עשויים להתקיים.
החוקרים השתמשו בשיטות מתמטיות גבוהות יותר כגון אלגברות שקר דיאגרמות רשת טנסור ו משוואת יאנג-בקסטר לבנות מודלים של מערכות שבהן יכולים להיווצר חלקיקים. הם חקרו עירורים בחומר מעובה כמו מגנטים כדי להדגים כיצד חלקיקים אלה יכולים להופיע בטבע.
לפרא-חלקיקים יש תכונות ייחודיות. כאשר מיקומם משתנה, המצבים הפנימיים של החלקיקים עצמם משתנים. חריגות אלו פותחות את הדרך לתופעות וטכנולוגיות פיזיקליות חדשות, כולל מידע קוונטי ומחשוב. לדוגמה, ניתן ליצור מערכות שבהן מידע מועבר באמצעות מניפולציה של המצבים הפנימיים של חלקיקים.
למרות שעבודתם של Hazzard ו-Wang היא בעיקרה תיאורטית, פיתוח נוסף עשוי להוביל לזיהוי ניסיוני של חלקיקים. מדענים בטוחים שהמחקר שלהם קובע את הווקטור לחקר תכונות חדשות של חומר, אך עדיין לא ידוע היכן זה בדיוק יפתח דלתות.
הרעיון של קיומם של ממדים נוספים הנסתרים מהתפיסה שלנו מרגש את מוחותיהם של פיזיקאים במשך יותר ממאה שנה. מדידות אלו יכולות להשפיע על חוקי הטבע שאנו רואים במציאות התלת מימדית. אבל למרות עשרות שנים של מחקר, עדיין לא נמצאו ראיות משכנעות. ניסוי חדש – Deep Underground Neutrino ניסוי (DUNE) יכול להיות פריצת דרך בחיפוש אחר הממדים המסתוריים הללו.
ניטרינו הם חלקיקים הנקראים "רוחות רפאים" בגלל יכולתם המדהימה לעבור דרך החומר מבלי לקיים איתו אינטראקציה. הם קיימים בשלושה "טעמים" (סוגים): נייטרינו אלקטרונים, מיאון וטאו. תכונה ייחודית של ניטרינו היא יכולתם לשנות את סוגם, או להתנודד, תוך כדי תנועה. מאפיין זה הופך אותם לכלי מפתח לבחינת ממדים נסתרים.
איך DUNE חוקרת ניטרינו
ניסוי DUNE מבוסס על תנודות נייטרינו. הוא יתבצע בין שני מרכזי מחקר גדולים: פרמילב באילינוי ומעבדה תת קרקעית בדרום דקוטה. מאיץ החלקיקים ב-Fermilab יוצר נויטרינו מיאון, אשר עוברים לאחר מכן 1,300 קילומטרים מתחת לאדמה כדי להגיע לגלאי בדרום דקוטה. לאורך הדרך, חלק מהניטרינו הללו הופכים לניטרינו אלקטרונים וטאו.
על ידי ניתוח האופן שבו ה"טעמים" של הנייטרינו משתנים תוך כדי נסיעה, מדענים מקווים להבין פרמטרים חשובים של התנודות שלהם, התפלגות המסה, ואפילו לקבל תשובות לשאלות על מקור חוסר האיזון של החומר והאנטי-חומר ביקום.
תורת המימדים הנסתרים
אחת האפשרויות המסקרנות ביותר שהציע המחקר החדש היא השימוש ב-DUNE כדי לחפש ממדי שטח נוספים. על פי התיאוריה של מימדים נוספים גדולים, שפותחה ב-1998 על ידי ארקני-חמד, דימופולוס ודבלי, המציאות התלת מימדית שלנו עשויה להיות חלק ממבנה רב מימדי. מדידות אלו, למרות שאינן נראות לעין, יכולות להיות בקנה מידה בסדר גודל של מיקרומטר (מיליונית המטר). זה קטן להפליא, אבל עדיין הרבה יותר גדול מקנה המידה של חלקיקים תת-אטומיים רגילים.
מימדים נסתרים יכולים להסביר רבים מהמסתורין של הפיזיקה, כולל מדוע כוח הכבידה חלש בהרבה מכוחות יסוד אחרים. הם עשויים גם לשפוך אור על מקורותיהן של מסות ניטרינו קטנות שאינן מוסברות על ידי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
אם מדידות כאלה אכן קיימות, הן עלולות להשפיע על ההסתברות לתנודות נייטרינו. שינויים אלו עשויים להופיע כסטיות קטנות מערכים חזויים ו"רעידות" באנרגיות גבוהות.
דוגמנות ונקודות מבט
אצלו מֶחקָר מדענים ערכו סימולציות של הפעולה של DUNE כדי להעריך עד כמה הניסוי יהיה רגיש לנוכחות של מדידות נסתרות. הם גילו ש-DUNE יוכל לזהות מימד נוסף של כחצי מיקרון לאחר מספר שנות פעילות. זה יתאפשר הודות לכמות גדולה של נתונים וניתוח מפורט של שינויים בתנודות הנייטרינו.
עם זאת, מדענים מדגישים כי ייתכן שנתוני DUNE לבדם אינם מספיקים כדי לאשר את קיומן של מדידות נסתרות. בעתיד, יהיה צורך לשלב את התוצאות עם נתונים מניסויים אחרים, כגון מתנגשים או תצפיות אסטרופיזיקליות.
"איחוד הנתונים ישפר את הדיוק ויצמצם את הגבולות העליונים לגודל של מדידות כאלה", אומר מהדי מסעוד, אחד ממחברי המחקר. "בנוסף, מדידות נסתרות יכולות לסייע במדידה מדויקת יותר של פרמטרים לא ידועים של פיזיקת נייטרינו סטנדרטית."
DUNE מתוכננת להשיק בשנת 2030. מדענים מצפים שכבר עשור לאחר תחילת הניסוי יתקבלו תוצאות ראשונות שיפתחו פרספקטיבה חדשה על מבנה היקום.
