WIMP - חלקיקים מסיביים המנהלים אינטראקציות חלשות

WIMP - חלקיקים מסיביים המנהלים אינטראקציות חלשות ( weakly interacting massive particles- WIMP ). שמם נובע מכך שבעת אינטראקציה עם חומר רגיל חלקיקי ה-WIMP כמעט ואינם משאירים סימן, מה שמאפשר לפיזיקאים להניח כי האינטראקציה זניחה.
WIMP היא אחת התאוריות המרכזיות לחלקיקיו של החומר האפל. החומר האפל הוא מונח שבעצרתו מנסים הפיזיקאים להסביר את כמות החומר העצומה החסרה שנמצאה בעת החישובים השונים של מסת היקום. את החומר האפל לא ניתן לראות, אך המדענים מנסים לחקור את מהות קיומו ואת החלקיקים המרכיבים אותו.
הפיזיקאים משערים, שמסתם של ה-WIMPS גדולה פי מאה מזו של הפרוטון, והם אינם בעלי מטען. אומנם וקיומו של הWIMP לא התגלה באופן מעשי אלא הוא חלקיק תאורטי, הוא משוער בזכות המשיכה הכבידתית שהוא מפעיל על העצמים ביקום.

WIMP כחומר אפל

למרות שהקיום של הWIMP עדיין רק היפותטי, חלקיקים אלו אמורים לפתור הרבה שאלות בנוגע לחומר האפל. בעולם הפיזיקה כיום, ישנה הסכמה כללית על כך שרוב המסה ביקום מורכבת מחומר אפל. סימולציות של היקום כאילו מורכב כולו מחומר אפל קר, מראות כי הן כמעט זהות לתצפיות שנערכו על היקום בימינו. לעומת זאת, אם להניח כי היקום מורכב מחומר אפל חם, היקום היה נמתח ולכן אפשרות זו אינה באה בחשבון. חלקיקי הWIMP מתאימים למודל של החומר האפל בתחילת היקום. בטמפרטורות שהגיעו אליהן החלקיקים, בדומה לאלה שהיו בתחילת היקום, חלקיקי החומר האפל והאנטי חומר אפל, התאחדו ויצרו חלקיקים אחרים קלים יותר. עם הזמן, היקום הלך והתקרר וככל שהטמפרטורה ירדה כך גם האנרגיה התרמית הממוצעת של אותם חלקיקים קלים שנוצרו קודם לכן. היא הלכה וקטנה עד מצב מסוים בו כבר לא הייתה מספקת כדי לבנות זוגות חלקיקי חומר אפל ואנטי חומר אפל. ההרס של אותם זוגות חלקיקים היה ממשיך, מה שהיה גורם לירידה משמעותית בכמות החומר האפל ביקום. בעצם, כמות הזוגות הללו, היוצרים את החומר האפל ביקום, הייתה ממשיכה לפחות, והאינטראקציה בין אותם חלקיקים הייתה מפסיקה, מה שהיה גורם לכמות חלקיקי החומר האפל להישאר קבועה ביחס ליקום שהיה ממשיך לגדול. לחלקיקים בעלי אינטראקציה גדולה יותר היה לוקח זמן ארוך יותר להיהרס וצפיפותם ביקום הייתה קטנה, אילו אינטראקצית ההשמדה הייתה נפסקת. בהתבססות על השפע הנוכחי של החומר האפל ביקום, אם חלקיקי החומר האפל הם השרידים מתחילת היקום, האינטראקציה של השמדת הזוגות לא יכולה להעלות על האינטראקציה של הכוח החלש. אם המודל הנוכחי נכון, הדבר מוכיח שחלקיקי החומר האפל יהיו בעלי מאפייני חלקיקי הwimp.

איתור ה-WIMP

חלקיקי הWIMP יכולים לנהל אינטראקציות בעזרת כוחות כבידתיים וחלשים, ולכן קשה מאוד לאתר אותם.
קיימים ניסיונות רבים מצד פיזיקאים לאתר את החלקיקים בדרכים שונות- ישירות ועקיפות.
איתור ישיר מתייחס לניתוח תוצאות התנגשויות גרעיניות של הWIMP כחומר אפל שעובר דרך גלאים במעבדות בכדור הארץ. איתור עקיף מתייחס לתוצרי השמדה או דעיכה של חומר אפל רחוק מכדור הארץ. בעוד שרוב דגמי הWIMP מצביעים על כך שמספר גדול מספיק של חלקיקים אלה "שבוי" בגורמים שמימיים גדולים כדי שניסויים לאיתור עקיף שלהם יצליחו, קיימת אפשרות גם כי המודלים הללו שגויים או מסבירים רק חלק מתופעת החומר האפל. לכן, אפילו שהניסויים המרובים מחויבים לספק ראיות עקיפות לקיומו של חומר אפל קר, נדרשות גם מדידות זיהוי ישירות כדי לחזק את התאוריה של WIMPs.

איתור עקיף

איתור עקיף, מתמקד בדרך כלל במיקומו של WIMP כחומר אפל, בנקודות הריכוז הגבוהות שלו: במרכזי גלקסיות, ובמקומות עם ריכוז גבוה של גלקסיות וכמו כן גלקסיות הלווין של גלקסיית שביל החלב. יש עדיפות למיקומים כאלו מהסיבה ובהם ישנה כמות חומר מעטה של חומר רגיל, במקרה של הפחתה מהרקע הצפוי של התהליכים האסטרופיזיקליים הסטנדרטיים. חיפושים עקיפים אופייניים, מחפשים קרני גמא עודפים, שהם התוצרים הסופיים של תהליך השמדתם של ה-WIMP, או מיוצרות כתוצאה מאינטראקציה בין חלקיקים טעונים לבין הקרינה הסביבתית של אפקט קומפטון הפוך. הספקטרום ועוצמת קרני הג
מא תלויות בתוצרי ההשמדה של הWIMP.
דרך נוספת לאיתור עקיף של הWIMP היא בעזרת השמש. חלקיקי הWIMP העוברים דרך השמש, לעיתים יוצרים אינטראקציה עם הפרוטונים הסולרים ונוקליאון הליומי. בחלק מהאינטראקציות האלו, חלקיקי הWIMP יכולים לאבד מהירות עד לכדי כך, שלא יוכלו להתגבר על כוח השדה הכבידתי של השמש. עם הזמן, כאשר צפיפותם בשדה הגרוויטציוני גדלה, החלקיקים מתחילים בתהליך האיון בינם לבין עצמם. כתוצאה מתהליך זה, נוצרים חלקיקים אחרים שהם ברובם ניוטרינו ברמת אנרגיה גבוהה, ובזכות זה חלקיקי הניוטרינו עוזבים את השדה הכבידתי של השמש ויכולים להיות מאותרים במתקנים שונים בכדור הארץ.