שני רמזים חדשים לחומר האפל — ואף אחד מהם אינו גילוי

החיפוש אחר חומר אפל מתקדם כעת בשני מסלולים שונים לחלוטין: במעמקי מכרה בקנדה, גלאי קריוגני החל לאסוף את נתוניו המדעיים הראשונים; ובחלל, ניתוח חדש של נתוני טלסקופ קרני הגמא Fermi מצא אות צר ומסקרן בצבירי גלקסיות סמוכים.

אף שאחד הממצאים עשוי להוביל לתגלית חשובה, והשני עשוי להתאים למודלים של חלקיקי חומר אפל, אף אחד מהם אינו מהווה גילוי של חומר אפל. SuperCDMS עדיין נמצא בשלב מדעי מוקדם, ואות קרני הגמא צריך לעבור בדיקות ושחזורים בלתי תלויים.

1. SuperCDMS SNOLAB מתחיל לאסוף נתונים מדעיים

למה צריך לרדת עמוק מתחת לאדמה ולהקפיא את הגלאי

SuperCDMS SNOLAB ממוקם בעומק של כ־2 קילומטרים במעבדת SNOLAB, השוכנת בתוך מכרה Vale Creighton ליד סדברי שבאונטריו, קנדה. שכבת הסלע שמעל למעבדה מפחיתה את שטף הקרניים הקוסמיות וקרינה אחרת — מקורות שעלולים ליצור אותות שייראו כמו אינטראקציה של חומר אפל. 81113

הגלאים עצמם מקוררים לטמפרטורה קיצונית של כ־15 מיליקלווין — אלפיות המעלה בלבד מעל האפס המוחלט. הקור העז מפחית רעש תרמי ומאפשר לחפש הפקדות אנרגיה זעירות, כפי שצפויות להיווצר כאשר חלקיק קל של חומר אפל פוגע בגביש. 1215

מה הניסוי מחפש

SuperCDMS כולל 24 גלאים העשויים משני חומרי מטרה: גרמניום וסיליקון. הם מסודרים במגדלי גלאים ומשתמשים בטכנולוגיות משלימות למדידת אותות חום ומטען. כך ניתן לשלב סף אנרגיה נמוך במיוחד עם יכולת טובה יותר להבדיל בין אירוע אמיתי לבין רקע. 101114

העיצוב הזה מעניק לניסוי תפקיד ייחודי במפת החיפוש אחר חומר אפל. במקום להתמקד רק במועמדים כבדים יחסית, SuperCDMS נועד לבחון גם חלקיקים קלי־משקל — תחום שאינו נגיש באותה יעילות לכל הניסויים הגדולים שתוכננו לטווחי אנרגיה אחרים. 69

מה משמעותו של שלב המדע המוקדם

שלב איסוף הנתונים הראשון מגיע לאחר כ־שישה חודשי הרצה וכיול של המערכת. זה עדיין אינו שלב החיפוש ברגישות המרבית: החוקרים משתמשים בנתונים הראשונים כדי לוודא שהגלאים פועלים כמתוכנן, להבין את מקורות הרקע ולשפר את שיטות הניתוח. החיפוש המלא מתוכנן להתחיל בשנת 2027. 12

ההבחנה הזו חשובה. גם נתונים מוקדמים עשויים להפיק גבולות חדשים על תכונותיו של חומר אפל, או אפילו אירוע מועמד בלתי צפוי. עם זאת, פוטנציאל הגילוי המשמעותי ביותר יגיע לאחר שהמערכת תתאפיין במלואה ותופעל ברגישות שאליה תוכננה.

2. נתוני Fermi מצביעים על קו קרני גמא אפשרי ב־43.2 GeV

מה מצא הניתוח

מחקר נפרד בחן 15.5 שנים של נתונים זמינים לציבור מטלסקופ השטח הגדול של Fermi, או Fermi-LAT. החוקרים ניתחו את כיוונם של 13 צבירי גלקסיות מסיביים וקרובים, ודיווחו על עודף דמוי־קו סביב 43.2 ג׳יגה־אלקטרון־וולט. התרומה הבולטת ביותר הגיעה מצבירים בתולה, פורנקס ואופיוכוס.

קו צר בקרינת גמא מעניין במיוחד משום שמודלים מסוימים של חומר אפל חוזים שחלקיקים כאלה עשויים להשמיד זה את זה וליצור פוטונים באנרגיה אופיינית. לפי פרשנות אפשרית זו, האות עשוי להתאים להשמדת WIMPs — חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה, שהם אחד המועמדים המרכזיים להרכיב את החומר האפל. אך גם בתרחיש הזה מדובר ברמז לחלקיק אפשרי, לא במדידה ישירה של חומר אפל.

למה זו עדיין לא תגלית

האות מסקרן, אך מובהקות סטטיסטית אינה שקולה לאישור. לפי החשבון שסופק, המובהקות המדווחת היא בערך 4.3 סיגמא — מתחת לרף המקובל של 5 סיגמא, המשמש בדרך כלל אמת מידה לגילוי בפיזיקת חלקיקים. סיכום כנס של ניתוחים קשורים סביב 43 GeV מציג מובהקות נמוכה יותר, 3.7 סיגמא לאחר תיקון על אפקט החיפוש במקומות רבים. זהו הקנס הסטטיסטי על בדיקה של אנרגיות רבות ובחירות שונות של נתונים.

יש גם כמה הסברים שאינם קשורים לחומר אפל, ושעלולים ליצור אות דמוי־קו:

• מודל לא מושלם של רקע קרני הגמא האסטרופיזיקלי;
• תנודה סטטיסטית שהודגשה לאחר בחירת אנרגיות או מטרות שנראו מבטיחות;
• השפעה של המכשיר, הכיול או בחירת האירועים.

גם ניתוחים קודמים של צבירי גלקסיות בנתוני Fermi תיארו אפשרות לאות סביב 43 GeV, אך לא מצאו קו בעל מובהקות סטטיסטית גלובלית. לכן נכון לעכשיו יש להתייחס לתוצאה החדשה כאל כיוון למחקר המשך — לא כהוכחה לכך ש־WIMPs זוהו.

איך שני הממצאים משתלבים זה בזה

SuperCDMS ו־Fermi בוחנים אפשרויות שונות של חומר אפל:

• SuperCDMS הוא ניסוי לגילוי ישיר: הוא ממתין שחלקיק חומר אפל יפקיד אנרגיה בגביש קר של גרמניום או סיליקון.
• ניתוח Fermi הוא חיפוש עקיף: הוא מחפש קרינה שעשויה להיווצר כאשר חלקיקי חומר אפל משמידים זה את זה באזורים צפופים של היקום.

תוצאה חיובית בכל אחת מהשיטות תצטרך להיבדל מרקע רגיל ולהיתמך בראיות נוספות. התאמה בין שיטות בלתי תלויות תהיה משכנעת במיוחד, אך שני הממצאים הנוכחיים עדיין אינם נמצאים בשלב הזה.

מה צפוי בהמשך

בצד של החיפוש התת־קרקעי, אבן הדרך הקרובה היא המעבר משלב הכיול והמדע המוקדם להפעלה המתוכננת ברגישות מלאה בשנת 2027. חשיפה ארוכה יותר והבנה טובה יותר של הרקע יאפשרו מבחן חזק יותר למודלים של חומר אפל קל. 26

בצד של אות קרני הגמא, המבחן המרכזי הוא שחזור. תצפיות חדשות, בעלות רגישות או רזולוציית אנרגיה טובות יותר, יוכלו לבדוק אם האות סביב 43 GeV חוזר באותם צבירי גלקסיות ואם התנהגותו תואמת את התחזיות של מודל חומר אפל. מכשירים בלתי תלויים יוכלו לסייע לשלול השפעות שיטתיות הייחודיות ל־Fermi.

גם טלסקופ החלל ננסי גרייס רומן של נאס״א יבחן את הבעיה מכיוון אחר. באמצעות סקרי אינפרה־אדום רחבי־שדה ומדידות של עדשות כבידתיות, הוא ימפה את התפלגות החומר האפל ואת האופן שבו הכבידה שלו מעצבת גלקסיות — ולא ינסה לזהות WIMPs ישירות.

התמונה הכוללת ממחישה מדוע המחקר מתקדם בכמה חזיתות במקביל: מדידת התנגשויות אפשריות בכדור הארץ, חיפוש תוצרי השמדה בחלל ומעקב אחר ההשפעה הכבידתית של החומר הבלתי נראה על היקום. המסקנה הזהירה ביותר כרגע היא שהחיפוש קיבל שני רמזים חשובים — אך עדיין לא תשובה מאושרת.