חלקיקים מסיביים המקיימים אינטראקציה חלשה

חלקיקים מסיביים המקיימים אינטראקציה חלשה (Weakly interacting massive particles, או WIMPs) הם חלקיקים יסודיים היפותטיים. אם חלקיקים כאלו קיימים, הם בעלי מסה, אך כמעט ואינם מקיימים כל אינטראקציה עם חומר רגיל, מכיוון שהאינטראקציות היחידות שלהם הן דרך כוח הכבידה והכוח החלש, או כוח אחר, חלש יותר, שטרם התגלה.

תאוריית חלקיקי ה-WIMP היא אחת התאוריות המרכזיות לייצוג חלקיקיו של החומר האפל, בעזרתו מנסים פיזיקאים להסביר את בעיית המסה החסרה שנמצאה בעת החישובים השונים של מסת היקום. החומר האפל לא מבצע אינטראקציה דרך הכוח האלקטרומגנטי, כך שקשה מאוד לגלותו ולמדוד את תכונותיו, אך כיום מנסים לחקור את מהותו ואת טיב החלקיקים המרכיבים אותו.

פיזיקאים משערים שמסתם של WIMPs גדולה בערך פי 100 מזו של הפרוטון, והם אינם בעלי מטען חשמלי. עם זאת, יש להם השפעה כבידתית ניכרת ביקום.

ה-WIMP נחשב לאחד המועמדים העיקריים עבור החומר האפל הקר. מועמדים אחרים הם גופי הילה קומפקטיים מסיביים , אקסיונים וחלקיקי מראה.

מאפיינים תאורטיים
חלקיקי ה-WIMP יוצרים אינטראקציות דרך הכוח הגרעיני החלש ודרך כוח הכבידה.
מסתם של חלקיקי ה-WIMP היא גדולה יותר מזו של מרבית חלקיקי המודל הסטנדרטי. כתוצאה ממסתם הגדולה, החלקיקים נעים לאט יחסית, ובשל כך, הם נוטים להתאגד יחדיו. מכיוון שמהירויות אלו אינן מספיקות כדי להתגבר על כוח המשיכה בין החלקיקים, ניתן להניח שיהיו "קרים", בכך שיהיו צפופים יותר ליחידת שטח.
WIMP אינו מקיים אינטראקציות אלקטרומגנטיות עם החומר הסטנדרטי, ולכן חלקיקים אלו אפלים ולא ניתן למדוד ולראות אותם בתצפיות אלקטרומגנטיות סטנדרטיות.

WIMP כחומר אפל
אף על פי שקיום חלקיקי ה-WIMP עדיין בגדר השערה, חלקיקים אלו אמורים לתרום רבות לפתרון בעיות במודל החומר האפל. כיום ישנה הסכמה כללית על כך שרוב המסה ביקום מורכבת מחומר אפל. סימולציות של יקום המורכב כולו מחומר אפל קר מראות כי הן כמעט זהות לתצפיות שנערכו על היקום בימינו. לעומת זאת, אם מניחים כי היקום מורכב מחומר אפל חם, היקום היה נמתח ולכן אפשרות זו אינה באה בחשבון. חלקיקי ה-WIMP 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 הלכה וקטנה, עד מצב 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. 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 אינטראקציית 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 ה-WIMP.

גילוי ה-WIMP
חלקיקי WIMP יכולים לנהל אינטראקציות רק באמצעות כוחות כבידתיים וחלשים, ולכן קשה מאוד לאתר אותם. עם זאת, קיימים ניסיונות רבים מצד פיזיקאים לאתר את החלקיקים בדרכים שונות, ישירות ועקיפות.

איתור ישיר
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 ה-WIMP 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 הגמא תלויות בתוצרי ההשמדה של ה-WIMP.

דרך נוספת לאיתור עקיף של ה-WIMP היא בעזרת השמש. חלקיקי ה-WIMP העוברים דרך השמש, לעיתים יוצרים אינטראקציה עם הפרוטונים הסולרים ונוקליאון הליומי. בחלק מהאינטראקציות האלו, חלקיקי ה-WIMP 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.

קישורים חיצוניים
חומר אפל באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי

פיזיקה תאורטית
חלקיקים אלמנטריים
חלקיקים חזויים
חומר אפל
פיזיקת חלקיקים