ארתור ב. מקדונלד: הפיזיקאי שירד שני קילומטרים מתחת לפני הקרקע
שני קילומטרים מתחת לנוף של אונטריו, בתוך מכרה ניקל פעיל ליד סדברי, בילה ארתור מקדונלד (Arthur B. McDonald) יותר מעשור בניהול ניסוי שהיה זקוק למיגון מפני כמעט כל חלקיק על פני כדור הארץ, כדי שיוכל לתפוס את אלו המגיעים מהשמש. כאשר הנתונים הגיעו לבסוף בשנת 2001, הוא כינה זאת "רגע האאורקה" שלו: נייטרינו, אותם חלקיקי רפאים שפיזיקאים הניחו כי הם חסרי מסה, משנים את זהותם במהלך מעופם – הוכחה לכך שהם נושאים מסה לאחר הכל.
מסידני, נובה סקוטיה, למכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech)
ארתור ברוס מקדונלד נולד ב-29 באוגוסט 1943 בסידני, נובה סקוטיה, ונשאר קרוב לביתו בתקופת לימודיו המוקדמים, כאשר קיבל תואר ראשון בשנת 1964 ותואר שני בשנת 1965 בפיזיקה מאוניברסיטת דלהאוזי (Dalhousie University). לאחר מכן חצה את היבשת עבור לימודים מתקדמים במכון הטכנולוגי של קליפורניה, שם השלים דוקטורט בפיזיקה גרעינית בשנת 1969 בהנחיית צ'ארלס א. בארנס (Charles A. Barnes), עם תזה על אנרגיות עירור ותכונות דעיכה של מצבים גרעיניים ספציפיים בחמצן-17, פלואור-17 ונתרן-21 – עבודה טכנית ולא זוהרת האופיינית לפיזיקאי גרעיני צעיר המפלס את דרכו לפני התגלית שתגדיר את הקריירה שלו.
מצ'אלק ריבר לפרינסטון
חייו המקצועיים המוקדמים של מקדונלד עברו ברובם בתוך מוסד המחקר הגרעיני של קנדה, כקצין מחקר במעבדות הגרעין צ'אלק ריבר (Chalk River Nuclear Laboratories) בין השנים 1969 ל-1982, כחלק מהתוכנית המובילה במדינה בפיזיקה של כורים וחלקיקים. לאחר מכן עבר למשרת פרופסור באוניברסיטת פרינסטון בין השנים 1982 ל-1989, לפני שחזר לקנדה כדי להצטרף לאוניברסיטת קווינס (Queen's University) בקינגסטון, אונטריו, בשנת 1989 – אותה שנה בה הפך למנהל המייסד של ניסוי חדש ושאפתני שנבנה בתוך מכרה פעיל שני קילומטרים מתחת לפני הקרקע.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →בניית מצפה הנייטרינו בסדברי
מצפה הנייטרינו בסדברי, הידוע כ-SNO, נבנה בתוך מכרה הניקל קרייטון (Creighton) במיוחד מכיוון שעומקו העצום של הסלע יגן על גלאי רגיש במיוחד מפני רקע הקרינה הקוסמית המציף את פני כדור הארץ. בליבו שכנו אלף טונות של מים כבדים, שנבחרו מכיוון שהיו יכולים לרשום את כל שלושת הסוגים, או ה"טעמים", של הנייטרינו ולא רק אחד. מקדונלד הוביל את שיתוף הפעולה הבינלאומי ב-SNO לאורך בניית הפרויקט ומרגע תחילת הפעילות ב-1998, דרך שנים של איסוף נתונים מדוקדק שמטרתו לפתור חידה בת עשורים הידועה כבעיית הנייטרינו הסולארי: גלאים על פני כדור הארץ מצאו בעקביות רק כשליש מנייטרינו האלקטרון שפיזיקת השמש חזתה שהשמש אמורה לייצר. באוגוסט 2001, התוצאות של SNO הראו מדוע – הנייטרינו החסרים לא נעלמו, הם שינו טעם, כשהם מתנודדים מנייטרינו אלקטרון לנייטרינו מיואון וטאו במסעם מליבת השמש אל פיר המכרה באונטריו. תנודה זו יכולה לקרות רק אם לנייטרינו, בניגוד להנחות המקוריות שנבנו בתוך המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הייתה מסה קטנה אך לא אפסית.
פרס נובל משותף מעבר לאוקיינוס השקט
פרס נובל לפיזיקה לשנת 2015 הוענק במשותף למקדונלד ולפיזיקאי היפני טקאקי קג'יטה (Takaaki Kajita), שהניסוי שלו, סופר-קמיוקנדה (Super-Kamiokande), מצא באופן בלתי תלוי ראיות לתנודת נייטרינו באמצעות נייטרינו אטמוספריים ולא סולאריים. הנימוק לפרס הכיר בשני הגברים "על גילוי תנודות הנייטרינו, המראה שלנייטרינו יש מסה" – תגלית שוועדת פרס נובל וקהילת הפיזיקאים הרחבה ראו בה הסדק המאומת הראשון במודל הסטנדרטי, המסגרת שחזתה את התנהגות החלקיקים בדיוק מרשים במשך עשורים. מקדונלד המשיך וזכה בשורה של כיבודים נלווים: מדליית בנג'מין פרנקלין בפיזיקה ב-2007, בחירה כעמית בחברה המלכותית (Royal Society) ב-2009, פרס קילאם (Killam Prize) במדעי הטבע ב-2010, מדליית הנרי מרשל טורי ב-2011, פרס ג'וזפה וונה קוקוני לפיזיקה אסטרוחלקיקית ב-2013, מינוי לעמית מסדר קנדה (Order of Canada) ב-2015, ופרס פריצת הדרך (Breakthrough Prize) בפיזיקה יסודית, שחולק בין צוותי SNO וסופר-קמיוקנדה. אסטרואיד, 229781 Arthurmcdonald, נקרא על שמו בשנת 2016.
SNOLAB, חומר אפל ועיקוף בעקבות מגפה
המתקן התת-קרקעי שמקדונלד בנה עבור SNO לא נסגר כאשר ניסוי הנייטרינו הסתיים; הוא הורחב ל-SNOLAB, אחת ממעבדות המדע התת-קרקעיות העמוקות והנקיות ביותר בעולם, שם המשיך מקדונלד במחקר בפיזיקת נייטרינו וחיפוש אחר חומר אפל כפרופסור אמריטוס באוניברסיטת קווינס. כישוריו התגלו כשימושיים גם מחוץ לפיזיקת החלקיקים: במהלך מגפת הקורונה (COVID-19), מקדונלד סייע להוביל את מאמץ ההנדסה מאחורי מכונת ההנשמה Mechanical Ventilator Milano, תכנון מכונת הנשמה בקוד פתוח הניתן לייצור המוני, עבודה שזכתה לגיבוי ציבורי מראש ממשלת קנדה ג'סטין טרודו כאשר בתי חולים התמודדו עם מחסור בציוד.
מדוע ארתור מכונה גאון
הטענה לגאונות של מקדונלד אינה קשורה להבזק של תובנה תיאורטית אלא למשמעת ההנדסית והארגונית העקבית, הכמעט עקשנית, הנדרשת כדי לענות על שאלה שהטבע הסתיר היטב. נייטרינו מקיימים אינטראקציה כה חלשה עם חומר רגיל עד שטריליונים עוברים דרך גוף אדם בכל שנייה ללא השפעה; זיהוי השבריר הקטן שכן מקיים אינטראקציה, בצורה נקייה מספיק כדי להבדיל בין טעם אחד למשנהו, דרש בנייה והפעלה של אחד המכשירים המבודדים והמכוילים במדויק ביותר שנבנו אי פעם, שני קילומטרים מתחת לפני הקרקע, לאורך רובם של שני עשורים. זו אינה גאונות של רעיון פתאומי אלא של סבלנות ניסויית בלתי נלאית – תכנון מכשיר רגיש מספיק כדי לתפוס את מה שאף אחד לא תפס לפני כן, והחזקת שיתוף פעולה בינלאומי יחד מספיק זמן כדי לקבל תשובה ברורה. ההסמכה הכנה היא שהרעיון הבסיסי של תנודת נייטרינו לא היה של מקדונלד לבדו: תיאורטיקנים הציעו זאת קודם לכן, והצוות של טקאקי קג'יטה הגיע למסקנה מקבילה באופן עצמאי תוך שימוש בנייטרינו שונים לחלוטין, וזו בדיוק הסיבה מדוע פרס נובל פוצל. התרומה הייחודית של מקדונלד הייתה הוכחת העניין באופן נחרץ, עם ניסוי שהתעוזה הפיזית שלו – מים כבדים, מכרה פעיל, מיגון קרינה קוסמית בקנה מידה כזה – הייתה הישג של פיזיקה יישומית ומנהיגות לא פחות מאשר של תיאוריה.
מורשת
הממצא של ניסוי SNO עיצב מחדש הנחת יסוד של פיזיקת החלקיקים והותיר מאחור את SNOLAB כתשתית מדעית קבועה, המארחת כעת חיפושי חומר אפל וניסויים תת-קרקעיים אחרים שיהיו בלתי אפשריים בשום מקום אחר על פני כדור הארץ. מקדונלד, שעדיין פעיל במחקר היטב אל תוך שנות השמונים לחייו, נותר אחד המדענים המעוטרים ביותר בקנדה ונוכחות מתמשכת במעבדה התת-קרקעית שבנה לראשונה כדי לתפוס קומץ חלקיקים חמקמקים מהשמש.