חומר מראה

בפיזיקה, חומר מראה, המכונה גם חומר צל, חומר אליס או בתרגום רשמי חלקיקי מראה, הוא מקביל היפותטי לחומר רגיל.

סקירה כללית 
הפיזיקה המודרנית עוסקת בשני סוגים בסיסיים של סימטריה מרחבית: שיקופית וסיבובית. החלקיקים היסודיים הידועים פועלים לפי הסימטריה הסיבובית, אך אינם פועלים לפי הסימטריה של השתקפות המראה. מבין ארבעת כוחות היסוד - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש וכוח הכבידה - רק הכוח החלש שובר את הסימטריה.

הפרת הסימטריה באמצעות הכוח החלש הוצגה לראשונה על ידי הפיזיקאים צונג-דאו לי וצ'ן-נינג יאנג בשנת 1956 כפתרון לפאזל קאון. הם הציעו מספר ניסויים כדי לבדוק אם הכוח החלש אינו משתנה תחת הסימטריה. ניסויים אלה בוצעו כחצי שנה לאחר מכן והם אישרו כי האינטראקציות של הכוח החלש בין החלקיקים הידועים מפרות את הסימטריה.

עם זאת, ניתן לשחזר ו"לתקן" את הסימטריה כסימטריה בסיסית של הטבע אם החלקיקים מוגדרים כך שלכל חלקיק יש חלקיק מראה. התיאוריה תוארה לראשונה בשנת 1991, אם כי הרעיון המודרני התקבל מאוחר יותר. חלקיקי המראה מבצעים אינטראקציה בינם לבין עצמם באותו האופן של חלקיקים רגילים, למעט במקרים שבהם לחלקיקים רגילים יש אינטראקציות שמאליות, לחלקיקי המראה יש אינטראקציות ימניות (ומכאן הרעיון של השתקפות המראה). באופן זה מסתבר שהסימטריה של השתקפות במראה יכולה להתקיים כסימטריה מדויקת של הטבע, בתנאי שקיים חלקיק מראה לכל חלקיק רגיל. הזוגיות הזו יכולה גם להישבר באופן ספונטני בהתאם למנגנון היגס.

חומר מראה, אם קיים, יצטרך להשתמש בכוח החלש כדי ל"תקשר" עם חומר רגיל. הסיבה לכך היא שהכוחות בין חלקיקי המראה מתווכים על ידי בוזוני מראה, למעט הגרביטון, אך אף אחד מהבוזונים המוכרים לא יכול להיות זהה לשותפי הראי שלהם. הדרך היחידה שבה חומר המראה יכול לתקשר עם חומר רגיל באמצעות כוחות שאינם כוח הכבידה הוא באמצעות מן "ערבוב" של בוזוני מראה עם בוזונים רגילים או באמצעות חילופי חלקיקים. אינטראקציות אלה יכולות להיות חלשות מאוד. לפיכך הוצעו חלקיקי מראה כמועמדים לחלקיקי החומר האפל ביקום, כגון מקבילים של חלקיקי ה-Wimp.

תצפיות ומחקרים מסוימים אף הראו שחומר המראה יכול להתנהג יותר כ"מסת מראה", מסה בעלת תכונות מנוגדות למסה המוכרת. מאותם המחקרים עלו ההשערות שחלקיקי מראה יכולים לתפקד היטב כחלקיקים בעלי מסה שלילית.

השפעות תצפיתיות

כמות ושכיחות 
צפיפות חומר המראה יכלה להיות נמוכה מאוד במהלך תקופת האינפלציה הקוסמית, דבר האומר שלא היה ניתן להבחין בו ולהבדילו מחומר רגיל. הפיזיקאי שלדון גלאשו הראה שאם ישנם חלקיקים אנרגטיים אשר מבצעים אינטראקציה חזקה עם חלקיקים רגילים ועם חלקיקי מראה, הם יכולים לפלוט פוטונים ופוטוני מראה. לתהליך הזה יש השפעה רבה על מטענים חשמליים של חומר רגיל, וכנראה גם של חומר המראה, אם קיים.

בשנים הקרובות מתוכנן ניסוי למדידת השפעה זו.

חומר אפל 
אם חומר המראה אכן קיים בשפע גדול ביקום, ואם הוא מקיים אינטראקציה חלשה בלבד עם החומר הרגיל, אז ניתן היה לאתר זאת בניסויים לגילוי ישיר של חומר אפל. למעשה, מדובר באחד המועמדים המועטים לחומר אפל שיכולים להסביר את אותו החומר האפל המסתורי, תוך שהוא עדיין עולה בקנה אחד עם התוצאות האפסיות של ניסויים אחרים בנושא גילוי חומר אפל.

השפעות אלקטרומגנטיות 
חומר מראה יכול כנראה להתגלות גם בניסויים בשדה אלקטרומגנטי, ויש לכך השלכות על מדעי כדור הארץ ועל חקר האסטרופיזיקה.

השפעות כבידתיות 
אם מסת חומר המראה הקיים ביקום גבוה מספיק, ניתן לגלות את השפעות הכבידה שלו. מכיוון שחומר המראה מקביל לחומר הרגיל, יש לצפות כי חלק מחומר המראה קיים בצורות שונות ומשונות של גלקסיות מראה, כוכבי מראה, כוכבי לכת מראה וכו'. ניתן לאתר עצמים אלו באמצעות ההשפעות הכבידתיות. אפשר גם לצפות כי בחלק מהעצמים יש חפצי מראה כבן לוויה שלהם. במקרים כאלה יהיה צריך לגלות ולזהות את אפקט דופלר בספקטרום הכוכב. ישנם רמזים מסוימים לכך שכבר נצפו תופעות כאלה בעבר, אך אינם יודעים זאת בוודאות.

ראו גם 
 אנטי-חומר
 אנרגיה אפלה
 חומר אפל
 אינטראקציה כובדית של אנטי חומר
 סימטריית CPT

הערות שוליים

חלקיקים אלמנטריים
חלקיקים חזויים
חומר אפל
פיזיקה תאורטית
פיזיקת חלקיקים