הנה הוא כאן סוף סוף! ה”חלקיק האלוהי” – הסבר פופולארי על בוזון היגס

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 מוענק לפרנסואה אנגלרט ופיטר היגס, מגלי בוזון בראוט-אנגלרט-היגס ששבר את הסימטריה בטבע ומספק לשאר החלקיקים את המסה

פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2013 הוענק במשותף לפרנסואה אנגלרט ולפיטר היגס על ניסוח התיאוריה המתארת את המנגנון באמצעותו חלקיקים משיגים את המסה שלהם. בשנת 1964 פרסמו שני החוקרים לראשונה את התיאוריה שלהם באופן נפרד (אנגלרט הגיע למסקנה במשותף עם עמיתו רוברט בראוט שנפטר בשנה שעברה ולא הספיק לזכות בפרס נובל).

בשנת 2012 אוששה התיאוריה של השלושה לאחר גילויו של חלקיק היגס במעבדת CERN שבשווייץ.

המנגנון עליו הוענק הפרס מהווה חלק מרכזי של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים המתאר כיצד בנוי העולם. בהתאם למודל הסטנדרטי, כל הדברים שביקום, החל מפרחים ובני-אדם ועד כוכבים וכוכבי-לכת, מורכבים ממספר קטן של אבני יסוד: חלקיקי החומר. חלקיקים אלו נשלטים ע”י כוחות המתווכים בעזרת חלקיקי הכוח המבטיחים כי הכול פועל כראוי. המודל הסטנדרטי כולו נסמך גם על קיומו של סוג חלקיק מיוחד: חלקיק היגס. חלקיק זה קשור לשדה בלתי נראה הממלא את כל החלל – אפילו כאשר נראה כי היקום שלנו ריק, שדה זה קיים שם.

עוד בנושא באתר הידען

• 49 שנים לאחר החיזוי: פיטר היגס ופרנסואה אנגלר זוכים בנובל לפיסיקה על בוזון היגס * ראיון בלעדי עם פרופ’ עילם גרוס
• פרופ’ פרנסואה אנגלר זוכה פרס נובל לפיזיקה הוא גם חוקר בביה”ס לפיסיקה בת”א
• פרופ’ עילם גרוס: אפשר להסיר את אי הוודאות באשר לגילוי חלקיק ההיגס

 

חלקיק היגס (H) משלים את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים המתאר את אבני היסוד של היקום. לולא קיומו של שדה זה אלקטרונים וקווארקים היו חסרי מסה, בדומה לפוטונים, חלקיקי האור, ובדיוק כמוהם, ולפי התחזיות של תיאוריית איינשטיין, הם היו נעים בחלל במהירות האור, ללא אפשרות ללכידתם בתוך אטומים או מולקולות. במקרה כזה שום דבר ממה שאנו מכירים לא היה מתקיים.

שני החוקרים, פרנסואה אנגלרט ורוברט בראוט, היו מדענים צעירים כאשר בשנת 1964 הם ניסחו באופן נפרד את התיאוריה שהצילה את המודל הסטנדרטי מקריסה מוחלטת. כמעט מחצית מאה לאחר מכן, ביום רביעי הארבעה ביולי 2012, שניהם נכחו בקהל במעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים במאיץ החלקיקים סרן שבז’נבה, כאשר הגילוי של חלקיק היגס שסוף כול סוף אישש את התיאוריה פורסם ברבים.

המודל שיצר סדר

הרעיון כי ניתן לתאר את היקום כולו באמצעות מספר קטן של אבני יסוד הינו רעיון עתיק-יומין. כבר בשנת 400 לפנה”ס שיער הוגה הדעות דמוקריטוס כי כל דבר מורכב מאטומים (átomos ביוונית “שאינו ניתן לחלוקה”). היום אנו יודעים כי האטומים כן ניתנים לחלוקה. הם מורכבים מאלקטרונים החגים סביב גרעין האטום שהוא עצמו מורכב מנויטרונים ופרוטונים. והם בתורם, מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר הקרויים קווארקים (עוד עליהם בוויקיפדיה). למעשה, רק אלקטרונים וקווארקים אינם ניתנים לחלוקה לפי המודל הסטנדרטי. גרעין האטום מורכב משני סוגים של קווארקים: קווארק ‘למעלה’ וקווארק ‘למטה’ (up ו- down, בהתאמה). כך שבעצם יש צורך בשלושה חלקיקים יסודיים על מנת שהחומר יתקיים: אלקטרונים, קווארקים מסוג ‘למעלה’ וקווארקים מסוג ‘למטה’. אולם, במהלך שנות החמישים והשישים של המאה הקודמת התגלו באופן בלתי-צפוי חלקיקים חדשים הן בתוך הקרינה הקוסמית שבחלל והן בתוך מאיצי חלקיקים שנבנו זה מכבר, כך שהמודל הסטנדרטי היה חייב לכלול גם אותם במסגרתו.

מלבד חלקיקי חומר קיימים גם חלקיקי כוח עבור כל אחד מארבעת הכוחות שבטבע – כוח הכבידה (gravitation), הכוח האלקטרומגנטי (electromagnetism), הכוח הגרעיני החזק (the strong force) והכוח הגרעיני החלש (the weak force). שני הכוחות הראשונים ברשימה הם המוכרים ביותר – הם גורמים לדחייה או למשיכה ואנו יכולים לראות את השפעותיהם במו עינינו. הכוח הגרעיני החזק פועל על הקווארקים ומחזיק את הפרוטונים ואת הנויטרונים יחדיו בגרעין האטום, בעוד שהכוח הגרעיני החלש אחראי לדעיכה רדיואקטיבית, הנדרש, למשל, לקיום תהליכים גרעיניים המתרחשים בליבת השמש. המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מאחד את אבני היסוד הבסיסיים של הטבע עם שלוש מתוך ארבעת הכוחות הידועים לנו (הכוח הרביעי, כוח הכבידה נותר, עדיין, מחוץ למודל זה). יחסי הגומלין המדויקים של כוחות אלו היו תעלומה זה זמן רב. לדוגמה, כיצד “יודעת” פיסת המתכת הנמשכת למגנט שהוא אכן נמצא שם לידה? וכיצד “מרגיש” הירח את כוח הכבידה של כדור-הארץ?
שדות בלתי-נראים ממלאים את החלל

ההסבר שניתן ע”י הפיזיקאים גורס כי החלל גדוש בשדות בלתי-נראים רבים. שדה הכבידה, השדה האלקטרומגנטי, שדה הקווארקים וכל שאר השדות האחרים ממלאים את החלל, או בלשון אחרת, את ארבעת ממדי המרחב-זמן, מרחב מופשט שבו שולטת התיאוריה. המודל הסטנדרטי כולל תיאוריה של שדה קוונטי שבו שדות וחלקיקים מהווים את אבני הבניין החיוניים של היקום.

בפיזיקת הקוונטים, מתייחסים אל הכול בתור אוסף של ויברציות בתוך השדות הקוונטיים. ויברציות אלו נישאות דרך השדה באריזות קטנות ובדידות המכונות ‘מנות’ (quanta), הנראים לנו כחלקיקים. קיימים שני סוגי שדות: שדות חומר בעלי חלקיקי חומר ושדות כוח בעלי חלקיקי כוח – הגורמים המתווכים הנושאים עליהם את הכוח. גם חלקיק היגס הוא ויברציה של השדה שלו – המכונה לעיתים שדה היגס.

ללא שדה זה המודל הסטנדרטי יקרוס כמו בית מקלפים מאחר ותיאוריית השדה הקוונטי כוללת ערכי אינסוף הנדרשים לריסון וסימטריות שלא ניתן לראותן. רק לאחר מחקריהם של פרנסואה אנגלרט ורוברט בראוט, ופיטר היגס, ולאחר מכן של חוקרים אחרים, שהראו כי ניתן לשבור את הסימטריה של המודל הסטנדרטי מבלי להרוס את התיאוריה כולה, התקבלה התיאוריה.
זאת לאור העובדה כי המודל הסטנדרטי יהיה נכון רק אם לחלקיקים לא תהיה מסה. באשר לכוח האלקטרומגנטי המשתמש בפוטונים חסרי-המסה שלו בתור נושאי הכוח לא קיימת כול בעיה כזו. הכוח החלש, לעומת זאת, מתווך ע”י שלושה חלקיקים מסיביים: שני חלקיקים טעונים חשמלית מסוג W וחלקיק אחד מסוג Z. הם אינם מסתדרים עם ההשערה באשר לטיבם של הפוטונים חסרי-המסה – כיצד ייתכן שהכוח האלקטרו-חלש, המאחד את הכוח האלקטרומגנטי יחד עם הכוח החלש, מתקיים? תקפותו של המודל הסטנדרטי הפכה להיות מאוימת. כאן נכנסו לתמונה שלושת החוקרים אנגלרט, בראוט והיגס עם המנגנון הגאוני שלהם במסגרתו החלקיקים משיגים לעצמם מסה והצילו בכך את המודל הסטנדרטי.

שדה דמוי ‘רוח רפאים’ – שדה היגס

שדה היגס אינו דומה לשדות אחרים בפיזיקה. כל השדות האחרים הם בעלי עוצמה משתנה ומגיעים לעוצמה של אפס ברמת האנרגיה הנמוכה שלהם. לא כך מתנהג שדה היגס – אפילו אם היו מרוקנים כליל את החלל מתוכנו, עדיין היה נותר שדה דמוי רוח-רפאים שמסרב להיכבות: שדה היגס. אין אנו מבחינים בו; שדה היגס הוא כמו אוויר עבורנו, כמו מים עבור הדגים. אולם, בהיעדרו לא היינו מתקיימים כלל מאחר והחלקיקים משיגים לעצמם מסה רק לאחר תגובה עמו. חלקיקים שאינם מגיבים אתו אינם משיגים לעצמם מסה, אלו המגיבים אתו בחולשה הופכים להיות קלי-מסה ואלו המגיבים אתו בעוצמה הופכים לחלקיקים כבדים. לדוגמה, אלקטרונים המשיגים את מסתם מהשדה הזה נוטלים תפקיד קריטי ביצירה עצמה ובהחזקת האטומים והמולקולות יחדיו. אם שדה היגס ייעלם לו לפתע, כל החומר יקרוס לו מאחר והאלקטרונים שיאבדו בן רגע את מסתם יתפזרו לכל עבר במהירות האור.

אז מה הופך את שדה היגס לכה מיוחד? הוא שובר את הסימטריה הפנימית של העולם. בטבע, הסימטריה היא תכונה נפוצה – פנים לובשים ופושטים צורה תכופות ולפרחים יש סוגים שונים של סימטריות גיאומטריות. פיזיקאים הצליחו לגלות סוגי סימטריה אחרים היכולים לתאר את העולם שלנו, למרות שאלו סוגים המצויים ברמה עמוקה יותר. אחת מהסימטריות הללו, שהיא פשוטה יחסית, קובעת כי לא משנה לתוצאות המתקבלות אם הניסוי התבצע במעבדה בשטוקהולם או בפריז. ובאופן דומה, לא משנה מתי בדיוק נערך הניסוי. תורת היחסות של איינשטיין מתייחסת לסימטריות במרחב ובזמן, והיא הפכה למודל הנמצא בבסיסן של תיאוריות אחרות, כגון המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. המשוואות של מודל זה סימטריות; בדומה למצב שבו כדור נראה אותו הדבר מכל זווית שנסתכל עליו, המשוואות של המודל הסטנדרטי נותרות ללא שינוי אפילו אם כיוון ההסתכלות המגדיר אותן השתנה.

העקרונות של הסימטריה הולידו גם תוצאות אחרות, בלתי-צפויות במידה מסוימת. כבר בשנת 1918 המתמטיקאית הגרמנייה אמי נתר (Emmy Noether) הצליחה להראות כי חוקי השימור של הפיזיקה, למשל חוק שימור האנרגיה וכוח שימור המטען החשמלי, מקורם בסימטריה.

יחד עם זאת, סימטריה מכתיבה מספר דרישות אותן יש למלא. כדור צריך להיות עגול באופן מושלם; הגבשושית הקטנה ביותר תביא לשבירת הסימטריה הכדורית. למשוואות קיימות דרישות אחרות. ואחת מהמשוואות של הסימטריה של המודל הסטנדרטי אוסרת על החלקיקים מלהשיג לעצמם מסה. אולם, אנו יודעים כי הדבר אינו נכון בעולמנו האמיתי – כך שהחלקיקים חייבים להשיג את המסה שלהם ממקור אחר. כאן נכנס המנגנון עליו הוענק פרס הנובל המספק דרך שבה הסימטריה גם קיימת וגם לא נראית לעין רגילה.

הסימטריה חבויה מהעין אך היא עדיין שם

היקום שלנו, ככל הנראה, נולד סימטרי – ברגע המפץ הגדול כל החלקיקים היו חסרי מסה וכל הכוחות היו מאוחדים לכדי כוח קדמוני יחיד. סדר מקורי זה אינו מתקיים עוד – הסימטריה של מצב זה הייתה חבויה מאתנו. אירוע מסוים התרחש כבר לאחר11-^10 שניות מרגע המפץ הגדול. שדה היגס איבד משיווי-המשקל המקורי שלו. כיצד זה קרה?

הכל החל בצורה סימטרית. ניתן לתאר את המצב הזה בתור כדור הנמצא במרכזה של קערה עגולה, במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלה. לאחר דחיפה שלו, הכדור מתחיל להתגלגל, אך לאחר זמן מה הוא חוזר לנקודה הנמוכה ביותר, היציבה ביותר, שממנה הוא בא.

אולם, אם מופיעה גבשושית במרכז הקערה, מה שנותן לה כעת את הצורה של כובע מקסיקני, המיקום במרכז הקערה עדיין יהיה סימטרי, אולם הוא יהפוך לבלתי יציב. הכדור יתגלגל מטה בכל כיוון שהוא. הכובע עדיין סימטרי, אולם מרגע שהכדור התגלגל מטה, מיקומו הרחק ממרכז הכובע “מחביא” את הסימטריה הזו. באופן דומה, שדה היגס שבר את הסימטריה שלו ו”מצא” רמת אנרגיה יציבה בנקודה המרוחקת מנקודת המקור הסימטרית שלו. שבירת סימטריה ספונטנית זו מכונה גם ‘מעבר הפאזה של שדה היגס’; זה כמו הנקודה שבה מים קופאים לכדי קרח.

על מנת שמעבר פאזה כזה יתרחש, היה צורך בארבעה חלקיקים, אולם רק אחד מהם, חלקיק היגס, שרד. שאר שלושת החלקיקים נעלמו לאחר שהם העבירו את תכונת המסה למתווכי הכוח החלש (שני חלקיקים טעונים חשמלית מסוג W וחלקיק אחד מסוג Z). בצורה זו הסימטריה של הכוח האלקטרו-חלש במודל הסטנדרטי נשמרה – הסימטריה בין שלושת החלקיקים הכבדים של הכוח החלש והפוטון חסר המסה של הכוח האלקטרומגנטי נשארה, רק שעכשיו היא פשוט חבויה מהעין.

ציוד רציני עבור פיזיקה רצינית

חתני הנובל כנראה לא האמינו כי הם יזכו לקבל אישוש לתיאוריה שלהם עוד בימי חייהם. האישוש הצריך מאמץ אדיר מצדם של פיזיקאים מכל רחבי העולם. במשך זמן רב התחרו ביניהן שתי מעבדות במאמץ לגלות את חלקיק היגס: Fermilab ליד שיקאגו, ארה”ב ו- CERN, על גבול צרפת-שוויץ. אולם כאשר מאיץ החלקיקים במעבדת Fermilab נסגר לפני מספר שנים, מעבדת סרן הפכה למקום היחיד בעולם בו נמשך המצוד אחר חלקיק היגס.

סרן נוסדה בשנת 1954 בניסיון לקדם מחקר כלל-אירופי בין מדינות אירופה השונות לאחר מלחמת העולם השנייה. היא כוללת כיום עשרים מדינות, ומאפשרת לחוקרים ממאות מדינות שונות ברחבי העולם כולו לשתף פעולה ביניהם במיזמי מחקר.
ההישג המרשים ביותר של סרן, מאיץ החלקיקים LHC (Large Hadron Collider), שהוא מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם, הוא כנראה המכונה המורכבת ביותר שנבנתה מאז ומעולם ע”י האנושות. שתי קבוצות מחקר הכוללות כשלושת אלפי חוקרים תרים אחר החלקיקים הזעירים ביותר הקיימים בעזרת שני גלאי ענק -ATLAS ו- CMS. הגלאים ממוקמים כמאה מטרים מתחת לאדמה והם מסוגלים למדוד 40 מיליון התנגשויות חלקיקים בשנייה המתרחשות במנהרה מעגלית שאורכה 27 קילומטרים.

מדי עשר שעות מוזרמים פרוטונים לתוך המאיץ, אלומה אחת לכל כיוון. מאה אלף מיליארדי פרוטונים נדחסים יחדיו לתוך אלומה אחת דקיקה ביותר – משימה לא קלה כלל ועיקר לאור העובדה כי פרוטונים, הטעונים במטען חשמלי חיובי, נוטים לדחות זה את זה. פרוטונים אלו נעים במהירות השווה ל- 99.99999% ממהירות האור ומתנגשים כאשר אצורה בהם אנרגיה בכמות של 4 טרה-אלקטרווולט ובסה”כ 8 טרה-אלקטרווולט (1 טרה-אלקטרווולט = אלף מיליארד אלקטרווולטים). אומנם אנרגיה בכמות של 1 טרה-אלקטרווולט אינה כה גדולה, ושווה פחות או יותר לאנרגיה האצורה ביתוש מעופף, אך כאשר האנרגיה דחוסה בתוך פרוטון יחיד, ויש בידך 500 טריליון פרוטונים כאלו הנעים במהירות עצומה בתוך המאיץ, האנרגיה האצורה באלומה זו שווה לאנרגיה של רכבת הנוסעת במלוא מהירותה. בשנת 2015 כמות האנרגיה הזו תכפיל את ערכה.

 

חידה בתוך חידה

ניסויים בתחום החלקיקים מושווים לעיתים להטחת שני שעונים שוויצריים אחד בשני על מנת לבדוק כיצד הם בנויים. אולם, התהליך הרבה יותר קשה מזה מאחר והחלקיקים אותם מחפשים החוקרים הם חדשים לחלוטין – הם נוצרו בעקבות האנרגיה העצומה שהשתחררה ברגע ההתנגשות. בהתאם לנוסחה המפורסמת של איינשטיין E=mc2 [האנרגיה שווה למכפלת המסה בריבוע מהירות האור], מסה היא צורה של אנרגיה. והקסם הטמון במשוואה זו הוא המאפשר, אפילו לחלקיקים חסרי מסה, ליצור לעיתים משהו חדש לחלוטין ברגע ההתנגשות; כמו במקרה שבו שני פוטונים מתנגשים ויוצרים אלקטרון ואת האנטי-חלקיק שלו, הפוזיטרון, או כאשר חלקיק היגס נוצר בעקבות ההתנגשות של שני גלואונים, בהינתן כמות האנרגיה המספקת.

הפרוטונים הם כמו שקיקים קטנים המלאים בחלקיקים אחרים – קווארקים, אנטי-קווארקים וגלואונים. מרביתם חוצים אחד את השני מבלי לחולל מהומה כלשהי; בממוצע, כל פעם ששני צברי חלקיקים מתנגשים זה בזה, רק עשרים מתוכן הן התנגשויות חזיתיות. ורק התנגשות אחת מתוך מיליארד שווה התייחסות. נדמה כי מספר זה נמוך יחסית, אולם יש לזכור כי כל התנגשות כזו מולידה פיצוץ של כאלף חלקיקים. באנרגיה של 125 GeV מסתבר כי חלקיק היגס כבד פי מאה ממסתו של הפרוטון וזו אחת מהסיבות בגינן כה קשה ליצור אותו.

אולם, עדיין לא הושלמו הניסויים בתחום זה. המדענים בסרן מקווים להוליד תגליות פורצות דרך נוספות בשנים הקרובות. למרות שגילויו של חלקיק היגס מהווה הישג אדיר – הוא הוא הפיסה החסרה בתעלומת המודל הסטנדרטי – המודל הסטנדרטי עצמו אינו הפיסה האחרונה בחידת היקום.

אחת מהסיבות לכך היא העובדה כי המודל הסטנדרטי מתייחס לחלקיקים מסוימים, נויטרינו, בתור חלקיקים חסרי-מסה, מחקרים אחרונים מראים כי ייתכן ויש להם מסה סופית. סיבה נוספת היא שהמודל מתייחס לחומר נראה בלבד, המתאים רק לחמישית מכל החומר הקיים ביקום. היתר הוא מה שמכונה ‘חומר שחור’ שטיבו עדיין לא ידוע. חומר זה אינו מוכר לנו, אולם השפעתו קיימת והיא האחראית, ככל הנראה, לשמירתן של הגלקסיות יחדיו ולמניעת התנתקותן זו מזו.

מכל שאר הבחינות האחרות, החומר השחור אינו מגיב עם החומר הנראה. אומנם, חלקיק היגס מיוחד; אולי הוא יאפשר לנו ליצור מגע עם האפלה המסתורית. המדענים מקווים לתפוס, אפילו לשבריר של רגע, את החומר השחור בעודם ממשיכים במצוד אחר חלקיקים בלתי-ידועים במאיץ החלקיקים LHC בעשורים לבוא.

להסבר המעמיק באתר פרס נובל

פרופ’ פרנסואה אנגלר זוכה פרס נובל לפיזיקה הוא גם חוקר בביה”ס לפיסיקה בת”א	235
49 שנים לאחר החיזוי: פיטר היגס ופרנסואה אנגלר זוכים בנובל לפיסיקה על בוזון היגס * ראיון בלעדי עם פרופ’ עילם גרוס