פיזיקה אסטרו חלקיקית

אסטרופיזיקה חלקיקית, הידועה גם בתור אסטרופיזיקה חלקיקית, היא ענף בפיזיקת חלקיקים העוסק בחלקיקים יסודיים שמקורם בחלל ועל הקשר של החלקיקים הללו לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה. זהו תחום מחקר חדש יחסית הנובע מיצירת קשר תאורטי בין פיזיקת החלקיקים, אסטרונומיה, אסטרופיזיקה, פיזיקת גלאים, יחסות, פיזיקה במצב מוצק וקוסמולוגיה. אחד ממניעי יצירת התחום היה הגילוי של תנודות ניטרינו (neutrino oscillation), תחום עבר התפתחות מהירה גם בחלק התאורטי וגם בחלק המעשי, מאז שנות האלפיים (2000).

היסטוריה של התחום

פיזיקה אסטרו-חלקיקית התפתחה מתוך אסטרונומיה אופטית (optical astronomy). עם הצמיחה של טכנולוגית הגלאים אשר הביא לשיפור ההבנה של האסטרופיזיקה, אשר מעורבים בא מספר רב של תחומים בפיזיקה כגון מכניקה, אלקטרודינמיקה, תרמודינמיקה, פיזיקת פלזמה, פיזיקה גרעינית, תורת היחסות, ופיזיקת החלקיקים. פיזיקאים אשר חוקרים חלקיקים מצאו שמחקרם מצריך להיעזר באסטרופיזיקה בגלל הקושי להפיק חלקיקים עם האנרגיה השווה לאילו שנמצאים בחלל. לדוגמה, הספקטרום של הקרינה הקוסמית מכיל חלקיקים עם אנרגיות גבוהות שמגיעות עד ל- $10^{20}$ אלקטרון וולט, כאשר התנגשות בין פרוטון לפרוטון במאיץ החלקיקים הגדול מגיעה לאנרגיה של $10^{12}$ אלקטרון וולט (בערך).

ניתן לייחס את התחלת העיסוק בנושא בשנת 1910, כאשר פיזיקאי גרמני בשם תיאודור וולף (Theodor Wulf) מדד את היינון באוויר, אינדיקטור לנוכחות קרינת גמא, בתחתית ובראש מגדל אייפל. הוא מצא כי יש הרבה יותר יינון בראש המגדל מאשר מה שהיה צפוי בעקבות ההנחה שהגורם לקרינה היה מקור קרקעי בלבד.

הפיזיקאי האוסטרי, ויקטור הס, שיער כי חלק מהיינון נגרם על ידי קרינה מהשמיים. כדי להגן על ההשערה הזאת, הס תכנן מכשירים המסוגלים לפעול בגובה רב מאוד ומכשירים אלו מדדו רמות יינון בגובה של עד כ-5.3 קילומטר. בין השנים 1911 עד 1913, הס טס כעשר פעמים כדי למדוד את רמות היינון בגובה רב.

לפי מדידות שעשה לפני הטיסות, הוא לא ציפה שתהיה איזושהי רמת יינון בגובה של מעל ל-500 מטר (חצי קילומטר) אם הטענה שמקורות קרקעיים הם המקור הייחודי לקרינה. למרות זאת המדידות שלו הראו שרמות היינון דועכות ככל שעולים בגובה ועולות בצורה חדה בנקודה מסוימת. בשיא של הטיסות שלו, הוא מצא שרמות היינון היו יותר גדולות מאשר על הקרקע. כך הס הסיק ש"קרינה בעלת כוח חדירה גבוה נכנסת לאטמוספירה שלנו מלמעלה". הס הסיק שהמקור של רמות היינון צריך להיות רחוק בחלל. בשל תגלית זאת הס היה אחד מהאנשים שהוענק להם פרס נובל בפיזיקה בשנת 1936. בשנת 1925, רוברט מיליקן אישר את התגליות של הס ונתן את השם "קרניים קוסמיות" לתופעה. הרבה פיזיקאים כיום נוטים להאמין שהתחום של פיזיקה אסטרו-חלקיקית התפתח החל מהתגלית של הס על קרניים קוסמיות.

נושאי מחקר

הפיזיקה האסטרו חלקיקית כוללת מחקר בתחומים הבאים:

אנרגיה פיזיקלית ואסטרופיזיקה גבוהה באנרגיה קוסמית.
קוסמולוגית חלקיקים.
אסטרופיזיקה של חלקיקים.
אסטרופיזיקה שקשורה לנושא: סופרנובה, גרעין גלקטי פעיל, שכיחות קוסמית, חומר אפל וכו.
אנרגיה גבוהה., VHE ו-UHE אסטרונומית קרני גמא
אסטרונומיית ניוטרינו גבוהה ונמוכה
מכשור ופיתוח גלאים הקשורים לתחומי המחקר שנכתבו לעיל.

שאלות פתוחות

אחת האתגרים העיקריים של התחום הוא להגדיר את עצמו באופן יסודי מעבר להגדרות העבודה ולהיבדל באופן ברור מאסטרופיזיקה ונושאים אחרים הקשורים אליו. בעיות לא פתורות בתחום האסטרופיזיקה הן אפיון של חומר אפל ואנרגיה אפלה. שאלה נוספת עבור פיזיקאים אסטרופארטיקלים היא מדוע יש כל כך הרבה יותר חומר מאשר אנטי חומר ביקום כיום. באריוג'נסיס (Baryogenesis) הוא המונח המציין את התהליך ההיפוטטי בו נוצרה כמות לא שווה של באריונים ואנטי באריונים ביקום המוקדם, והמסביר מדוע היקום כיום עשוי מחומר, ולא מאנטי חומר.

מתקנים, ניסויים ומעבדות

ההתפתחות המהירה של תחום זה הובילה לתכנון של סוגים חדשים של תשתיות. במעבדות תת-קרקעיות או בטלסקופים שתוכננו במיוחד, ובניסויי אנטנות ולווין, הפיזיקאים המתמחים באסטרופיזיקה חלקיקית משתמשים בשיטות גילוי חדשות כדי לבחון מגוון רחב של חלקיקים קוסמיים, כולל נייטרונים, קרני גמא וקרינה קוסמית באנרגיות הגבוהות ביותר. הם גם מחפשים חומר אפל וגלי כבידה. פיזיקאים אלה מוגבלים על ידי הטכנולוגיה של מאיצי הקרקע שלהם, אשר מסוגלים לחכות רק חלק קטן של האנרגיות הנמצאות בטבע.

מתקנים ניסויים ומעבדות אשר חוקרים את הפיזיקה האסטרו חלקיקית כוללים את:

אייסקיוב (ice cube, אנטארקטיקה)- גלאי החלקיקים הארוך ביותר בעולם, הושלם בדצמבר 2010. המטרה של הגלאי היא לחקור נייטרונים באנרגיה גבוהה, לחקור חומר אפל, לצפות בהתפוצצויות סופרנובה ולחפש חלקיקים נדירים כמו מונופולס מגנטי.
אנטרס (טלסקופ), (ANTARES, טולון, צרפת)- גלאי ניטרינו באורך 2.5 קילומטר מתחת לים התיכון ליד החוף של טולון, הוצב כדי למצוא ולצפות בשטף הניוטרינו בכיוון הדרומי של ההמיספירה.
בורקסינו - (BOREXINO) גלאי בזמן אמת, המותקן בלאבוראטורי נאזיונלי דל גראן סאסו (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), הוצב בשביל לקלוט נייטרונים שבאים מהשמש בעזרת נוזל אורגני.
מצפה הכוכבים פייר אוז'ה, (Pierre Auger Observatory, מאלארגואה, ארגנטינה)- קולט וחוקר קרניים קוסמיות באנרגיה גבוהה בעזרת שתי טכניקות: 1. ללמוד את האינטראקציות בין החלקיקים למים הממוקמים בתחתית הגלאי. 2. לעקוב אחרי ההתפתחות של מקלחות אוויר דרך צפייה של אור אולטרה סגול הנפלטת גבוה בתוך האטמוספירה של כדור הארץ.
הטלסקופ הסולרי האקסיוני (CERN Axion Solar Telescope, סרן, שווייץ)- מחפש אחרי אקסיונים שמקורם בשמש.
פרויקט נסטור (NESTOR Project, פילוס, יוון) הוקם כתוצאה מהתאחדות בין לאומית. טלסקופ הניוטרינויים ממוקם בקרקעית הים ליד פילוס יוון.
מצפה הכוכבים קאמיאוקה (Kamioka Observatory) - הוא מעבת ניוטרינויים וגלים גרביטציים ממוקמת מתחת לאדמה בתוך מכרה מוזומי שנמצא ביפן בעיר הידה בחלקת קאמיאוקה.
לאבוראטורי נאזיונלי דל גראן סאסו (Laboratori Nazionali del Gran Sasso)- היא מעבדה אשר מארחת ניסויים הדורשים רעשי רקע נמוכים בסביבה. ממוקמת בתוך הרי גראן סאסו, ליד לאקוילה (איטליה) המסדרונות הניסויים מכוסים ב-1400 מטרים של סלעים, אשר מגינים על הניסויים מקרניים קוסמיות.
סנולב (SNOLAB, קנדה)- מעבדת פיזיקה קנדית הממוקמת בעומק של 2 קילומטר מתחת לאדמה. משמשת כמעבדה בעלת הפרעות סיבתיות נמוכות לניסויים רגישים.
הרשת האירופאית האסטרו חלקיקית אספרה (Aspera European Astroparticle network) - התחילה ביולי 2006 ואחראית לתיאום וממון של מחקר לאומי בתחום הפיזיקה האסטרו חלקיקית.
פרויקט הטלסקופ המערכתי (Telescope Array Project, דלטא יוטה ארצות הברית) ביצע ניסוי לקליטת קרניים קוסמיות בעלות אולטרה אנרגיה גבוהה, בעזרת מערך טלסקופים אשר משתמש במערך קרקעי וטכניקות פלואורסצנטיות במדבר שבמערב יוטה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פיזיקה אסטרו חלקיקית בוויקישיתוף