בימים האחרונים, התפרסמו ברחבי הרשת תוצאות של ניסוי מעניין של קבוצת מחקר בהובלת פרופ' פיטר אנגלס מאוניברסיטת וושינגטון [1], בו הודגמה התנהגות של עירורים (מיד נסביר..) בעלי מסה אפקטיבית שלילית [2]. כדי להסביר את תוצאות הניסוי ואת משמעותן, נסביר תחילה מספר מושגים יסודיים ואת הקשר שלהם לניסוי, ולבסוף נתאר את הניסוי עצמו ונסביר מה משמעות התוצאות.

מהי מסה?
הדרך הנפוצה להגדיר מסה [3] היא מידת ההתנגדות של גוף לתאוצה. במילים פשוטות, ככל שלגוף יש מסה גדולה יותר, נצטרך להפעיל עליו יותר כוח כדי להגיע לאותה תאוצה.
מהו עירור ואיך הוא קשור לעניין?
המערכות הפשוטות ביותר הן של חלקיקים חופשיים - חלקיקים שלא מרגישים בקיומם של חלקיקים אחרים. אולם, כשהרבה חלקיקים המשפיעים זה על זה נמצאים יחד, הם מתנהגים באופן שונה לחלוטין: הם יכולים למשוך או לדחות זה את זה, ואף להתנהג כמו חלקיק חדש לחלוטין בעל תכונות פיזיקליות שונות לגמרי מהחלקיקים המקוריים. את המצב החדש מתארים בעזרת הרחבה של מושג החלקיק, הנקראת "עירור" [4].
כדי לקבל מעט תובנה לגבי עירור, נדמיין מיתר מתנדנד בעל קצה קשור וקצה חופשי. במיתר תיווצר הפרעה שתנוע לאורכו. הפרעה זו איננה חלקיק במובן ה"רגיל", ובכל זאת, מתקדמת ומשפיעה על סביבתה כמו חלקיק. ניתן לראות סרטון המדגים זאת בקישור הבא [5] (מומלץ מאוד!).
אחד התחומים בפיזיקה העוסק בחקר מערכות עם הרבה חלקיקים נקרא "פיזיקה של חומר מעובה" [6]. בין היתר, התחום עוסק בחומרים מוצקים, שהם מבנים מחזוריים של אטומים רבים המכילים אלקטרונים רבים עוד יותר, וכולם משפיעים זה על זה. על האלקטרונים במוצק המחזורי פועל כוח מחזורי המשפיע באופן משמעותי על תכונותיהם. בניגוד לריק, במערכות של מצב מוצק האלקטרונים לא יכולים לנוע בחופשיות אלא במסלולים קבועים, ויש להם רק ערכים מאוד מסוימים של תנע ואנרגיה, המשתנים בין חומר לחומר.
ישנם מקרים בהם כל המצבים האפשריים של האלקטרונים תפוסים, פרט למצב אחד פנוי. במקרה כזה, ניתן לתאר את המערכת בעזרת ה"חור" [7], במקום בעזרת האלקטרונים. באופן פשטני, ניתן לדמיין את המצב כשרשרת אלקטרונים הנעים יחד, כשבכל פעם אחד מהם ממלא את החור, והמצב הקודם שלו (שהתפנה) הופך לחור. החור מתנהג כמו חלקיק במובנים רבים, אולם נבדל ממנו באחרים. למשל, במקרים מסוימים, מכיוון שהחור הוא "היעדרו של חלקיק", הוא מתנהג הפוך מאיך שחלקיק בעל תכונות זהות היה מתנהג.
כדי לתאר מערכות מרובות חלקיקים, הורחב מונח המסה ל"מסה אפקטיבית" [2]. בניגוד למסה הרגילה שנקבעת רק על פי הרכב החומר ולא תלויה בתכונות כמו מטען חשמלי, המסה האפקטיבית נגזרת מהיחס בין האנרגיה לתנע של החלקיק, ולכן משתנה בנוכחות חלקיקים אחרים וכוחות חיצוניים. ישנם קווי דמיון רבים בין מסה למסה אפקטיבית. למשל, לחלקיק חופשי יהיו מסה ומסה אפקטיבית זהות.
חורים במצב מוצק הם דוגמה לעירורים בעלי מסה אפקטיבית שלילית - הם נעים בכיוון הפוך לכיוון הכוח.
בחזרה לניסוי: בניסוי המדובר, נלקחה מערכת של אטומי רובידיום [8] שקוררו בעזרת לייזר [9] עד לטמפרטורה קרובה מאוד לאפס המוחלט. לא נפרט כאן על קירור לייזר, אבל כדי לקבל מושג אפשר לדמיין את הלייזרים "כולאים" את האטומים במקומם (האטומים הוחזקו בתווך שממדיו קטנים מעשירית מילימטר), כך שאטומי הרובידיום הלכודים כמעט ולא נעים. הם מסתנכרנים זה עם זה ולא מתנהגים עוד כאוסף חלקיקים חופשיים, אלא יוצרים מצב קולקטיבי הדומה לעירורים אותם הזכרנו קודם.
ישנן מספר סיבות לכך שאטומי רובידיום נבחרו לניסוי. בין היתר, אטומים אלו הם בוזונים [10], תכונה קריטית לכך שניתן יהיה להחזיק רבים מהם באותו מצב קוונטי וליצור את המצבים הדרושים לניסוי [11] וכן, צבעי הלייזר הדרושים לקירורם זמינים טכנולוגית [12].
בשלב הבא, הוסרה מלכודת הלייזר ואטומי הרובידיום החלו להתפשט, אולם כאמור, הם לא עשו זאת כחלקיקים בודדים, אלא כמצב "נוזלי" מעורר אחד, באופן דומה לגלים בים המורכבים ממולקולות (חלקיקים) רבות הנעות יחד.
בשלב השני, הקרינו החוקרים את המצב החדש בפולסי לייזר חדשים, קדימה ואחורה, ושינו את אופן תנועתו. המדידות בשלב זה הראו, שכשלמצב הייתה מהירות גבוהה מספיק, הוא שינה את כיוון תנועתו באופן הפוך לכיוון הכוח. כלומר, כאשר המצב נדחף קדימה, הוא נע אחורה. הנוזל התפשט רק עד לתחום מסוים מחוץ לקופסה, ואז החל לחזור לאחור.
ניסוי זה מאשש את רעיון המסה האפקטיבית השלילית, מושג נפוץ וחשוב. בין היתר, משמשת המסה האפקטיבית לתיאור גבישים (ולסייע בפיתוחים טכנולוגיים), לתיאור התנהגות חורים שחורים ולתיאור התנהגות ראשית היקום. לא מדובר בגילוי של חלקיק יסודי בעל מסה שלילית, ולא בשינוי של חוקי הפיזיקה כפי שהם מוכרים לנו, אלא באישוש ניסיוני של תופעה חשובה שכבר הכרנו.