הגלאי שחיפש חומר אפל פתח חלון חדש אל תוך השמש

מה בעצם נמדד?

ניסוי XENONnT נבנה בראש ובראשונה כדי לחפש WIMPs — חלקיקים היפותטיים שעשויים להרכיב את החומר האפל. אבל הרגישות הקיצונית הנדרשת לחיפוש אירועים נדירים כל כך הפכה אותו גם לכלי למדידת נייטרינו שמגיעים מהשמש.

בהודעה שנמסרה בשיתוף הפעולה XENON במעבדות הלאומיות של גראן סאסו באיטליה, דווח על התצפית הראשונה בנייטרינו שמש בעלי אנרגיה נמוכה שהתפזרו על אלקטרונים בתוך הגלאי. המדידה הורידה את גבול התצפית הישירה לנייטרינו לכ־17 keV — סף האנרגיה הנמוך ביותר שדווח עד כה למדידות מסוג זה. האות שנמדד נשלט בעיקר על ידי נייטרינו pp, הנוצרים בתהליך היתוך המימן שמניע את השמש. 22

חשוב לדייק: כ־17 keV היא האנרגיה של הנייטרינו שהמדידה נעשתה רגישה אליה, ולא בהכרח האנרגיה שעוברת במלואה לכל אלקטרון. החוקרים מחפשים את התבנית הסטטיסטית הצפויה של אירועי רתיעה רבים, ומשווים אותה לרקע הרדיואקטיבי ולרעש המכשירי.

נייטרינו שמש שמשאיר חותם זעיר

נייטרינו כמעט שאינם מתקשרים עם חומר. מדי פעם, נייטרינו שמש מתנגש באלסטיות באלקטרון בתוך הקסנון הנוזלי ומעביר לו כמות זעירה של אנרגיה. ההתנגשות יוצרת שני סימנים שניתנים למדידה:

• הבזק אור מיידי מהקסנון הנוזלי;
• אות אלקטרולומינסנציה שני, שנוצר כאשר האלקטרונים ששוחררו נמשכים אל השלב הגזי של הגלאי.

השילוב בין שני האותות מאפשר לחוקרים לשחזר את האנרגיה ואת המיקום התלת־ממדי של כל אירוע. לכן אין צורך לזהות 'פגיעה' יחידה של נייטרינו. במקום זאת, מנתחים את צורת הספקטרום של אירועים רבים ומבודדים את האות הצפוי מתוך הרקע.

מה הם נייטרינו pp ולמה הם חשובים?

נייטרינו pp נוצרים בשלב הראשון של שרשרת היתוך הפרוטונים בשמש:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

בתגובה זו שני פרוטונים מתמזגים ונוצרים דאוטריום, פוזיטרון ונייטרינו אלקטרוני. זהו הצעד שמתחיל את התהליך שבו מימן הופך בהדרגה להליום.

מכיוון ששרשרת ה־pp היא מקור האנרגיה העיקרי של השמש, נייטרינו אלה הם שליחים ישירים של תגובות ההיתוך בליבת הכוכב. האור שנוצר בליבה זקוק לזמן רב כדי להגיע אל פני השטח, בעוד שנייטרינו יכולים להימלט כמעט מיד מאזור היווצרותם. מדידה שלהם מספקת אפוא בדיקה ישירה יחסית של התהליך שמניע את השמש.

איך XENONnT הצליח לראות אות כה חלש?

בלב XENONnT נמצא גלאי הקרנה בזמן דו־שלבי — TPC — ובו מטרה פעילה של 5.9 טונות קסנון נוזלי. המסה הגדולה מגדילה את הסיכוי ללכוד אינטראקציות נדירות, ושני סוגי האותות האופטיים מאפשרים לקבוע את האנרגיה ואת מיקום האירוע. 5

אחד האתגרים המרכזיים הוא לא רק הנדירות של הנייטרינו, אלא גם הרקע. רדון ותוצרי ההתפרקות שלו עלולים ליצור רתיעות אלקטרוניות הדומות לאלה שנוצרות בפיזור נייטרינו על אלקטרונים.

לשם כך פיתח שיתוף הפעולה מערכת זיקוק קריוגנית מקוונת, שמסלקת ברציפות רדון מהקסנון. ריכוז פעילות ה־(^{222}\mathrm{Rn}) במטרה הפעילה ירד לכ־(0.90\ \mu\mathrm{Bq/kg}) — רמה שבה הרקע מרדון כבר דומה לרקע הבלתי־נמנע שנוצר מנייטרינו שמש. 1819

הפעלת הגלאי בעומק רב מתחת להר גראן סאסו מפחיתה גם אירועים שמקורם בקרניים קוסמיות. בסביבה נקייה כל כך ניתן לבצע התאמה ספקטרלית מדויקת ולחפש את התבנית של נייטרינו השמש, במקום שהאות ייבלע בתוך מספר גדול בהרבה של אירועי רקע. 22

במה שונה התוצאה ממדידת 2024?

התוצאה החדשה משתמשת בערוץ פיזיקלי שונה מזה שנבדק בהודעת XENONnT מ־2024. אז חיפשו החוקרים נייטרינו מסוג בורון־8 באמצעות פיזור אלסטי קוהרנטי של נייטרינו על גרעין — תהליך המכונה CEνNS. במקרה זה הנייטרינו גורם לרתיעה של גרעין אטום הקסנון.

הניתוח מ־2024 הסתיים באינדיקציה של 2.73 סטיות תקן, ולא בתגלית ברמת 5 סטיות תקן. 23

במדידה החדשה מדובר בפיזור של נייטרינו על אלקטרונים. שתי התוצאות מדגימות כי אותו גלאי יכול לקלוט שתי חתימות שונות של נייטרינו שמש:

• רתיעות אלקטרוניות מפיזור על אלקטרונים, שבו נייטרינו pp בעלי אנרגיה נמוכה הם הרכיב המרכזי;
• רתיעות גרעיניות מפיזור CEνNS, כפי שנמדד באינדיקציה של נייטרינו בורון־8.

ההבדל חשוב משום שכל ערוץ פותח חלון אחר אל ספקטרום האנרגיות של השמש ואל הפיזיקה המתרחשת בליבתה.

'ערפל הנייטרינו' — גם אות פיזיקלי וגם מכשול

עבור ניסויי חומר אפל, נייטרינו השמש הם בעת ובעונה אחת תגלית רצויה ורקע מטריד. הם מאפשרים למדוד פיזיקה אמיתית, אך הרתיעות שהם יוצרים עלולות להיראות כמו אירועים שמקורם ב־WIMPs. אי אפשר לחסום אותם באמצעות מיגון רגיל, משום שהם חודרים דרך חומר כמעט ללא הפרעה.

הרקע הבלתי־נמנע הזה מכונה לעיתים 'ערפל הנייטרינו'. אין מדובר במחסום מוחלט: צורת הספקטרום, השוואה בין חומרי מטרה שונים, מדידות כיווניות וידע מדויק יותר על שטפי הנייטרינו יכולים לסייע בהבחנה סטטיסטית בין WIMP לבין נייטרינו.

עם זאת, ככל שהרגישות עולה, השיפור נעשה קשה יותר והאי־ודאות השיטתית נעשית חשובה יותר. האינדיקציה הקודמת של XENONnT ל־CEνNS מנייטרינו בורון־8 הייתה אחד הביטויים הישירים הראשונים של הרקע הגרעיני הזה בגלאי שנבנה לחיפוש חומר אפל. 12

מה צפוי להביא XLZD?

XLZD מתוכנן להיות מצפה הדור הבא המבוסס על קסנון נוזלי. לפי התכנון הבסיסי, הוא יכיל מטרה פעילה של כ־60 טונות, עם אפשרות להגדלה עד 80 טונות — בערך סדר גודל יותר מהכמות הפעילה ב־XENONnT. 3235

המסה הגדולה יותר לא תביא רק ליותר אירועים. היא עשויה לאפשר מדידה מדויקת יותר של השטף ושל הספקטרום של נייטרינו pp, וכן בדיקה טובה יותר של ההסתברות שנייטרינו אלקטרוני יישאר מאותו סוג בדרכו מהשמש לכדור הארץ. במקביל, XLZD מתוכנן לחקור את האזור שבו אותות WIMP מתקרבים לרקע של 'ערפל הנייטרינו'. 3239

הלקח המרכזי מ־XENONnT הוא שחיפוש חומר אפל ואסטרונומיית נייטרינו שמש אינם עוד שני תחומי פעילות נפרדים. אותה טוהר קיצוני של החומר, אותו רעש רקע נמוך ואותה טכנולוגיית גילוי שמאפשרים לחפש אירוע WIMP נדיר יכולים לחשוף גם את העקבות הכמעט בלתי־נראים של ההיתוך הגרעיני בליבת השמש.