פרס נובל בפיזיקה למדען בלגי ש"צד את חלקיק הרפאים" באנטארקטיקה
הפרס יוענק השנה למדען הבלגי פרופ' פרנסיס האלזן על תרומתו לפיתוח גלאי שהוקם באנטארקטיקה ועל גילוי ניטרינו שמקורו בחלל
פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה לפרנסיס לואי האלזן (Halzen) מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון בארצות הברית, שגילה דרך חדשה לאתר את אחד החלקיקים החמקמקים ביותר – הניטרינו – בגלאי שהוקם באנטארקטיקה.
פרופ' אלי וקסמן, ראש המחלקה לאסטרופיזיקה ופיזיקת חלקיקים במכון ויצמן למדע, מאיר את הגילוי בשיחה עם אתר מכון דוידסון: "ההישג המדעי המרכזי של האלזן הוא גילוי שטף של חלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיות גבוהות מאוד, המגיעים ממקורות קוסמיים רחוקים, ומכיוון שהנייטרינו חסרי מטען חשמלי, הם נעים בחלל כמעט ללא סטייה ויכולים לכן להצביע על מקורות הקרניים הקוסמיות ולסייע בהבנת התהליכים הפיזיקליים הפועלים במאיצי החלקיקים החזקים ביותר בטבע".
פרנסיס האלזן נולד ב-3 במרץ 1944 בעיר טיאנן, בצד הפלמי של בלגיה. האלזן סיים את לימודי הדוקטורט שלו באוניברסיטת לוון בשנת 1969 בהנחיית ריימונד גסטמנס (Gastmans). בשנתיים הבאות הוא עבד כעמית מחקר במרכז חקר החלקיקים CERN שליד ז’נבה. משלהי שנות ה-80 הוא היה מעורב בהקמת מיזם המחקר AMANDA ובעקבותיו IceCube. שני המיזמים נועדו לאתר חלקיקי ניטרינו באמצעות הקרח של יבשת אנטארקטיקה.
בשנת 1931 חזה הפיזיקאי זוכה פרס נובל וולפגנג פאולי (Pauli) את קיומו של חלקיק קליל וחסר מטען, במסגרת עבודתו על קרינת בטא – אחד מסוגי הקרינה הרדיואקטיבית שנפלטת מגרעיני אטומים. עד מהרה אכן זוהה בניסוי חלקיק חסר מטען אחר ואנריקו פרמי (Fermi) העניק לו את השם נייטרון.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
חיסוני השפעת: למה צריך לחדש אותם מדי שנה?
כמה זמן נשאר לנו? תשאלו את השעון
התרבות המשותפת שלנו ושל הניאנדרטלים
לחלקיק שהוצע על ידי פאולי, ובאותה עת היה עדיין היפותטי, הוצע השם “ניטרינו” – נייטרון קטן. הניטרינו זוהה לבסוף רק ב-1956 ע”י הפיזיקאי היהודי-אמריקני פרדריק ריינס (Reines). הגילוי הזה זכה להוקרה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1995, כמעט 40 שנה אחרי התגלית.
דע מאין באת, ניטרינו
“קרניים קוסמיות” הוא השם שניתן לכל אותם חלקיקים טעונים, כגון פרוטונים וגרעיני אטומים כבדים יותר, שמגיעים מהחלל ופוגעים בכדור הארץ במהירויות גבוהות. התופעה נצפתה כבר לפני קרוב למאה שנה, אך לא היה ברור מהו מקורם של החלקיקים הקוסמיים העשירים במיוחד באנרגיה, אחד המאפיינים הבסיסיים ביותר של הקרינה הזאת. חלקיקי הניטרינו היו המפתח לגילוי התשובה.
מצד אחד, קשה מאוד לגלות ניטרינו, מאחר שהוא לא מקיים יחסי גומלין עם חומר כמעט בכלל. מצד שני, דווקא בזכות זה, אין כמעט שום דבר שיכול להסיט את כיוון התקדמותו מרגע שנוצר על ידי עצם אסטרונומי. בכך הוא שונה מאוד מחלקיקים טעונים, שמשנים את כיוון התקדמותם באופן תדיר. לכן, אם בכל זאת מצליחים לגלות אותו, הוא מספק לחוקרים מידע יקר ערך על המקום המדויק שבו אירעה התופעה שהולידה אותו, אפילו אם היא מוסתרת מאחורי ענני אבק קוסמי. בעוד העננים בולעים או מסיטים קרינה וחלקיקים טעונים, חלקיקי הניטרינו חוצים את העננים ומתקדמים אלינו ישירות, ובכך יוצרים הזדמנות ייחודית לאתר תופעות אסטרונומיות מסוימות.
חלקיקי הניטרינו הם כמעט חסרי מסה. רק הפוטונים והגלואונים קלים מהם, מאחר שאין להם מסה כלל. לניטרינו גם אין מטען חשמלי, והם נוצרים במגוון אינטראקציות שמתרחשות בחלל. השמש, למשל, פולטת כמות אדירה של חלקיקים כאלה, ששוטפים את כדור הארץ בכל רגע ורגע. בכל שנייה ושנייה עוברים דרך ציפורן הזרת שלנו לבדה קרוב ל-65 מיליארד חלקיקים כאלה שמקורם בשמש, בלי שאנחנו שמים לב לכך ובלי להשאיר עקבות. החלקיקים הללו אדישים לסביבתם עד כדי כך שהם יכולים לחצות את כדור הארץ כולו ללא הפרעה. לכן קשה מאוד ליצור גלאי חלקיקים שיאתרו אותם.
חפש באנטארקטיקה
ככל שהגלאים גדולים יותר, כך גובר הסיכוי שיגלו ניטרינו. האלזן הגה את הרעיון להשתמש בקרח העד של יבשת אנטארקטיקה כגלאי ענקי, בנפח של קילומטר מעוקב, לגילוי חלקיקי ניטרינו חמקמקים שמקורם בעצמים אסטרונומיים מחוץ למערכת השמש, אפילו אם הם מוסתרים. הרעיון מאפשר ליצור טלסקופ ייחודי המסוגל לאתר מאורעות אסטרונומיים שלא ניתן לאתר בדרך אחרת. כבר בשנות השישים הבינו פיזיקאים שאפשר לגלות חלקיקי ניטרינו בעזרת מים. באירוע נדיר שבו חלקיק כזה מגיב עם מולקולה של מים, הוא פולט חלקיק טעון שנע בהם במהירות העולה על מהירות האור במים, ופולט לאורך מסלולו אור כחול קלוש שנקרא קרינת צ’רנקוב (Chernekov). על בסיס הרעיון הזה נהגה פרויקט DUMAND – טלסקופ ניטרינו שנועד לפעול במעמקי האוקיינוס השקט, בקרבת הוואי. אך הפרויקט נכשל עקב קשיים טכניים ולא הוקם בפועל מעולם.
החידוש במחקרו של האלזן היה ההבנה שאפשר להשתמש בקרינת צ’רנקוב במים גם אם הם נוזלים וגם אם הם קפואים, כלומר קרח. הדרך לעשות את זה בפועל הובילה אותו לאחת הסביבות הנידחות בעולם: יבשת אנטארקטיקה. לזכותו עמדה העובדה שהסביבה בעומק הקרח חשוכה ושקטה במיוחד, בלי תנועת מים או יצורים חיים שעלולים לחולל הפרעות כמו באוקיינוס. בנוסף, אפשר לבנות בה גלאי עצום תוך הסתמכות על הקרח הטבעי.
תחילה האלזן פיתח את הרעיון באופן תיאורטי בלבד, והמשיך לעסוק בפרויקטים אחרים. אך הרעיון עורר הדים רבים בקהילה המדעית, עד כדי כך שבתוך שנים ספורות התגייסו מדענים מכל רחבי העולם לממש את הרעיון, וכך הוא מצא את עצמו במסע מדעי בן עשרות שנים למימוש רעיונותיו התיאורטיים.
האלזן ושותפיו הבינו שניתן לקדוח אל עומק הקרח בעזרת מים רותחים ולהציב שורות של גלאי האור במעמקי הקרח החשוך. בשנות ה-90 הם החלו לבנות בהדרגה את הטלסקופ AMANDA בקרח האנטארקטי. תחילה הם הציבו גלאים בעומק רדוד יחסית, אך גילו שבועות אוויר שנלכדו בקרח מסיטות את כיוון התקדמות האור בגלאי ומקשות לזהות את כיוון תנועת הניטרינו. עם זאת הם גילו שאם קודחים עמוק מספיק, לעומק של 1,400 מטר, מגיעים לקרח טהור, ללא כל בועות. יתר על כן, הקרח הזה שקוף מספיק כדי לאפשר לאור לנוע כ-300 מטרים לפני שייבלע.
עם זאת, הגלאי היה קטן מדי לאיתור חלקיקי ניטרינו שמקורם בעצמים אסטרונומיים רחוקים. על כן הקימו בשנת 2011 את פרויקט IceCube, המכיל 5,160 גלאים הפזורים בקוביית קרח שאורך כל אחת מצלעותיה קילומטר שלם, ונמצאת בעומק של קילומטר וחצי לפחות מתחת לפני השטח.
המצפה הוקם בתחנת המחקר אמונדסן-סקוט באנטארקטיקה. שנתיים בלבד לאחר סיום הקמתו הוכרז כי הגלאים שבו הצליחו לזהות 28 חלקיקי ניטרינו שמקורם מחוץ למערכת השמש. בפרט, שלושה מהחלקיקים הללו התאפיינו באנרגיה גבוהה במיוחד. הפיזיקאים במצפה כינו שניים מהם “אריק” ו”בנץ”, ולשלישי, בעל האנרגיה הגבוהה ביותר, הם קראו “ציפורת”, במחווה לדמויות המפורסמות מ”רחוב סומסום”. פרט לכך, מדענים משתמשים במצפה גם כדי לנסות לזהות את החומר האפל ולאתר סופרנובות ברחבי החלל.
שישה חודשים שהפכו לקריירה שלמה
האלזן נולד וגדל בפלנדריה שבבלגיה. אביו היה בעליה של חברת בנייה, ובתחילת דרכו שקל האלזן להצטרף לעסק המשפחתי. בסמסטר הראשון של לימודיו הוא למד הנדסה, אך עד מהרה עבר ללימודי מתמטיקה ופיזיקה. בסופו של דבר הוא מצא את עצמו מעורב באחד ממיזמי ההנדסה המדעית השאפתניים בעולם בעת בניית IceCube.
המעבר שלו לארצות הברית לא תוכנן כצעד ארוך טווח. בשנת 1971, בזמן שעבד ב-CERN בז’נבה, הזמין אותו עמית לביקור מחקר של שישה חודשים באוניברסיטת ויסקונסין במדיסון. האלזן נשאר שם והביקור הקצר התארך לקריירה של יותר מחמישים שנה.
באמצע שנות ה-80 החלו האלזן והפוסט-דוקטורנט אנריקה זאס (Zas) לבחון את האפשרות לבנות גלאי לחלקיקי ניטרינו שמגיעים מהחלל. האפשרות להשתמש בחלקיקים האלה כאמצעי תצפית קסמה לו. “אולי אפשר יהיה לראות דברים ביקום שאי אפשר לראות בשום דרך אחרת”, הסביר לימים. מי שסייע מאוד להפוך את החזון התיאורטי למציאות היה עמיתו הפיזיקאי ג’ון ג’ לרנד (Learned), שב-1988 פרסם יחד עם האלזן מאמר שהתווה לראשונה את הקווים המנחים להקמת גלאי ניטרינו המבוסס על קרח.
“התחלנו בקטן: בואו נלמד את תכונות הקרח, בואו נפתח מקדח המבוסס על מים חמים ונבדוק אם הרעיון בכלל יעבוד. ולתדהמתנו התגברנו על כל המכשולים. ופתאום היו לנו הכלים לבנות גלאי בגודל של קילומטר מעוקב”, סיפר האלזן.
פרופ' וקסמן הוסיף כי "IceCube הוא שיאו של תהליך ניסויי שנמשך עשרות שנים. האלזן ולרנד הציעו להשתמש בקרח העמוק של אנטארקטיקה, ובהמשך מילא האלזן תפקיד מוביל בהפיכת הרעיון למציאות באמצעות מצפה IceCube, שגודלו כקילומטר מעוקב ושנבנה בידי שיתוף פעולה בינלאומי גדול.
"באופן מרשים, עוצמת שטף הנייטרינו שמדד IceCube קרובה לגבול העליון שחזיתי יחד עם ג'ון בקול ב-1998. האתגר הגדול כעת הוא לזהות את מקורות הנייטרינו ולקבוע אם לפחות חלק מהם הם גם המקורות של הקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיות הגבוהות ביותר. מצפי נייטרינו גדולים ורגישים יותר, שייבנו על בסיס ההצלחה של IceCube עשויים להפוך את התגלית הזו לסוג חדש של אסטרונומיה, שתאפשר לאתר את מאיצי החלקיקים החזקים ביותר בטבע".
על תרומתו להקמת IceCube וניהולו, ועל גילוי חלקיקי ניטרינו אסטרופיזיקליים עתירי אנרגיה ומקורותיהם, הוענקה להאלזן בשנת 2026 מדליית APS להישג יוצא דופן במחקר, מטעם האגודה האמריקאית לפיזיקה. לאורך הקריירה הוא כיהן בוועדות מדעיות רבות וחיבר עם הפיזיקאי אלן מרטין (Martin) את ספר הלימוד Quarks and Leptons, שפורסם לראשונה ב-1984.
זוהי הפעם הראשונה מאז 1992 שבה פרס נובל לפיזיקה מוענק לזוכה יחיד. בצירוף מקרים מעניין, גם בפעם הקודמת שבה הפרס הוענק לזוכה יחיד – ז’ורז’ שרפק (Charpak) הצרפתי – היה זה בזכות תרומותיו לפיתוח גלאי חלקיקים.
רק חמש נשים זכו בפרס בפיזיקה
בשנה שעברה הוענק הפרס לשלושה ממגלי תופעת המינהור הקוונטי ברמה המקרוסקופית, שכולם עובדים בארצות הברית: ג’ון קלרק (Clarke) מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, מישל דבורה (Devoret) מאוניברסיטת ייל וג’ון מרטיניס (Martinis) מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה.
ב-2024 עסק הפרס בבינה מלאכותית, וחולק בין ג’ון ג’וזף הופפילד (Hopfield) מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית וג’פרי אוורסט הינטון (Hinton) מאוניברסיטת טורונטו בקנדה. בשנת 2023 הוענק הפרס לשלושה מהחוקרים שתרמו לפיתוח שיטות לייצור הבזקי אור קצרים במיוחד, מיליארדית של מיליארדית השנייה: פייר אגוסטיני (Agostini) מאוניברסיטת אוהיו בארצות הברית, פרנץ קראוס (Krausz) ממכון מקס פלנק לפיזיקה במינכן, גרמניה, ואן ל’הוליייר (L’Huillier) מאוניברסיטת לונד בשבדיה.
עד כה הוענקו פרסי נובל בפיזיקה ל-229 חוקרים, בהם חמש נשים בלבד. פרסי נובל מוענקים משנת 1901.
שבוע של פרסים
אתמול הוכרז כי פרס נובל ברפואה יוענק השנה לשלושה חוקרים שגילו תעלות יונים אשר מופעלות באמצעות אור, ושפיתחו את האופטוגנטיקה. שיטה זו מאפשרת לשלוט באופן מדויק בפעילות של תאי עצב על ידי שימוש באותן תעלות. הפרס יחולק בחלקים שווים בין קרל דייסרות (Deisseroth) מהמכון הרפואי הווארד יוז ואוניברסיטת סטנפורד בארצות הברית, פטר הגמן (Hegemann) מאוניברסיטת הומבולדט של ברלין בגרמניה, וגאורג נאגל (Nagel) מאוניברסיטת וירצבורג שבגרמניה.
מחר (רביעי) תכריז האקדמיה השבדית על חתני פרס נובל בכימיה. ביום חמישי תהיה ההכרזה בספרות, וביום שישי יוכרזו באוסלו חתני פרס נובל לשלום. שבוע הנובל יינעל ביום שני הבא, עם ההכרזה על מקבלי הפרס בכלכלה על שם אלפרד נובל.
הפרס הכספי עומד השנה על 12 מיליון קרונות שוודיות בכל תחום, שהן כ-1.21 מיליון דולר אמריקני. הפרסים עצמם יוענקו ב-10 בדצמבר, יום השנה למותו של אלפרד נובל.
יהונתן ברקהיים, ד"ר יובל רוזנברג ואליסה קיסר, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע