11.15 נייטרינים מהשמש

ההבנה שהשמש שלנו מופעלת בהיתוך גרעיני הביאה הקלה למדענים, שהיו מוטרדים מהפער בין הגיל הקצר שחושב לשמש כשהניחו שמקור האנרגיה שלה הוא תהליכים כימיים, לבין התיעוד הגיאולוגי והביולוגי של כדור הארץ, שמעיד על היסטוריה ארוכה הרבה יותר. התגובות הגרעיניות שמפעילות את השמש משחררות לא רק כמויות אדירות של קרינה, אלא גם מספר עצום של חלקיקים חמקמקים שנקראים נייטרינים. נזכיר שנייטרינו נוצר כבר בשלב הראשון של שרשרת פרוטון-פרוטון, שמספקת לשמש את האנרגיה שלה. אבל התוצרים של ההיתוך שנצפו בפועל לא תאמו את התחזיות הראשונות: מספר הנייטרינים שנצפו היה פשוט נמוך מדי.

נייטרינים הם חלקיקים בעלי מסה זעירה, קטנה ממסתו של כל חלקיק יסוד אחר שיש לו מסה (במשך שנים רבות חשבו הפיזיקאים שאין להם מסה כלל). האינטראקציה שלהם עם חומר רגיל חלשה כל כך, שרובם עוברים דרך כדור הארץ כולו כאילו לא היה שם. הם נוצרים ברוב התהליכים הרדיואקטיביים, וגם בהיתוך הגרעיני בליבות של כוכבים. אחרי שהנייטרינים נוצרים בליבת השמש, הם עוזבים אותה תוך שניות ספורות, וחלקם נעים לעבר כדור הארץ במהירות הקרובה למהירות האור. לכן הנייטרינים הם הזדמנות מצוינת "לראות" ישירות את הליבה התרמו-גרעינית של השמש. שטף הנייטרינים מהשמש בכדור הארץ עצום: כ-6×10¹⁴ נייטרינים עוברים בכל מטר רבוע בכל שנייה. מאות טריליוני נייטרינים עוברים דרך הגוף שלכם בכל שנייה, ואתם לא מרגישים דבר! יש שלושה סוגים, או "טעמים", של נייטרינים: נייטרינו אלקטרוני, נייטרינו מיואוני ונייטרינו טאו, לפי החלקיק שהם קשורים אליו בתגובות שבהן הם נוצרים – אלקטרון, מיואון (קרוב כבד יותר של האלקטרון) או חלקיק טאו (כבד עוד יותר). התגובות בליבת השמש יוצרות רק נייטרינים אלקטרוניים.

זיהוי נייטרינים הוא אתגר של ממש. האינטראקציה שלהם חלשה כל כך, שצריך גלאים עצומים כדי לקלוט את האינטראקציות הנדירות בין נייטרינו לבין גרעין אטום. בגלאים משתמשים במכלים ענקיים של נוזלים מיוחדים, טהורים מאוד, ובחלקם ההתנגשות הנדירה של נייטרינו יוצרת הבזק אור אופייני. הגלאים חייבים להיות עמוק מתחת לפני הקרקע, כדי להגן עליהם מפני אותות מטעים של חלקיקים אחרים שמגיעים מהחלל (הקרינה הקוסמית). הפיזיקאי האמריקאי ריי דייוויס מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן היה חלוץ הניסויים מהסוג הזה. הגלאי המקורי שלו פעל מ-1970 עד 1994 עמוק במכרה זהב בדקוטה הדרומית. הנייטרינים התגלו באינטראקציות הנדירות שלהם עם אטומי כלור, במכל של כ-380,000 ליטרים של פרכלורואתילן – בעצם נוזל לניקוי יבש. הניסוי שלו מצא בעקביות רק כשליש מהנייטרינים שהמודלים של ליבת השמש חזו. במשך זמן מה היו מי שפקפקו בניסוי, כי ההשלכות היו דרמטיות: או שהמודלים של השמש שגויים מאוד, או שיש פיזיקה חדשה שקשורה לנייטרינים. אבל כשגלאים אחרים התחילו לפעול, ובמיוחד מצפה הנייטרינים סדברי בקנדה וניסוי קמיוקנדה ביפן, הם אישרו את החוסר. ריי דייוויס צדק, ובשנת 2002 הוא חלק את פרס נובל בפיזיקה עם מסאטושי קושיבה היפני.

מאחר שפיזיקה חדשה היא אפשרות קיצונית, החוקרים התמקדו תחילה בפגמים אפשריים במודלים של הפקת האנרגיה בשמש. אבל התחום החדש של הליוסייסמולוגיה – חקר הדרך שבה גלי קול שונים מתפשטים בפנים השמש – רק אישר את המודלים, ונראה שאין סיכוי שהם שגויים מאוד. האצבע התחילה להצביע על פיזיקה חדשה. לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, לנייטרינים אין מסה, ושלושת הסוגים שלהם נפרדים לחלוטין. בשנת 1998 הראו הנתונים מגלאי הנייטרינים סופר-קמיוקנדה ביפן באופן חד-משמעי שנייטרינים יכולים להחליף סוג, והתוצאה אושרה בשנת 2001 במצפה הנייטרינים סדברי. אם נייטרינים יכולים להחליף סוג, או "להתנודד" בין הסוגים, חייבת להיות להם מסה קטנה (ולכן הם גם נעים מעט לאט יותר ממהירות האור). כך נפתרה התעלומה. השמש יוצרת רק נייטרינים אלקטרוניים, אבל ניסוי סדברי הראה שכשהם מגיעים לכדור הארץ, רק כשליש מהם עדיין מהסוג האלקטרוני, ושני השלישים האחרים הם מסוג מיואון וטאו. בדרכם החוצה מהשמש ואל כדור הארץ, הנייטרינים התנודדו בין הסוגים, וריי דייוויס, שהגלאי שלו רגיש רק לנייטרינים אלקטרוניים, קלט רק את השליש שנשאר מהסוג הזה. המודלים של השמש נכונים, ועל גילוי התנודות של הנייטרינים הוענק פרס נובל בפיזיקה לשנת 2015 (לטקאאקי קג'יטה מסופר-קמיוקנדה ולארתור מקדונלד מסדברי). אבל הפיזיקה והאסטרונומיה עדיין מתמודדות עם ההשלכות העמוקות של העובדה שלנייטרינים יש מסה.

→ הסעיף הקודם: 11.14 התנגשויות ואטימות  |  הסעיף הבא: 11.16 תנודות השמש ←