ידענים: פיסיקה קוונטית

מאת 21 בדצמבר 2015 8 תגובות

כשגלינו את בוזון ההיגס אף אחד לא הופתע. חיכינו שיופיע – והוא הופיע במלוא הדרו. אבל עכשיו התגלתה אפשרות לקיומו של חלקיק כבד פי 6 מההיגס. פרופ' עילם גרוס מסביר משוויץ

שלוש שנים וחצי עברו מאז גילוי חלקיק ההיגס במאיץ החלקיקים הגדול (LHC) שבג'נבה. במאיץ מואצות שתי אלומות פרוטונים במהירויות קרובות למהירות האור ומתנגשות חזיתית באנרגיות שצפיפותן דומות לאלו ששררו ביקום – חלקיק שנייה אחרי המפץ הגדול. עם גילוי בוזון ההיגס הושלם הפאזל של מה שקרוי המודל הסטנדרטי.

 איור 1: מאורע התנגשות בגלאי CMS שתוצאתו שני פוטונים (הקווים הירוקים) שמסתם הכוללת כ-GeV 750 (צילום: CMS, CERN)

איור 1: מאורע התנגשות בגלאי CMS שתוצאתו שני פוטונים (הקווים הירוקים) שמסתם הכוללת כ-GeV 750 (צילום: CMS, CERN)

 

חשד לקיומו של חלקיק כבד פי 6 מההיגס

 

כל החלקיקים שנובאו על ידי המודל התגלו ובכללם: פוטונים, אלקטרונים, נויטרינוס וקוורקים. אלא שהפאזל הלכאורה מושלם הזה לא שימח את הפיסיקאים. היסודות עליהם המודל מושתת אינם חזקים דיים, מסות חלקיקי החומר וההבדלים הגדולים ביניהן לא מובנים ולא מתקבלים באופן טבעי על ידי המודל. הפיסיקאים יצרו מודלים מורכבים יותר, שמרחיבים את המודל הסטנדרטי באופן שפותר כמה מהבעיות היסודיות שלו, כמו אלה שהצבענו עליהן לעיל.

אחד המודלים המורכבים, כמו גם המוכרים יותר, הוא מה שקרוי סופרסימטריה: לכל חלקיק במודל הסטנדרטי יש אח או אחות כבדים ממנו. אף אחד מאלו טרם התגלה. אלא שכדי לגלות חלקיקים כבדים יותר צריך אנרגיות גדולות יותר ולכן לאחר הגילויו של ההיגס, הוכפלה אנרגית ההתנגשות וב-2015 עמדה על 13 Tev, כלומר, אנרגיה ששקולה ל-13,000 פעמים מסת הפרוטון.

הפיסיקאים קיוו למצוא סימנים לחלקיק כבד וחדש, אלא שאף אחד לא חשב שנראה משהו שבכלל לא ציפינו לו. יכול להיות שזו הסיבה שהפיסיקאים מתקשים לעכל שאולי, ורק אולי גילינו חלקיק חדש, ומנמיכים את הציפיות ואת התקוות למינימום האפשרי. יש גם בסיס מדעי איתן להנמכת הציפיות והוא קרוי בשפה המדעית: The Look Elswhere Effect או "אפקט ההסתכלות בכל מקום".

כשגלינו את בוזון ההיגס אף אחד לא הופתע. חיכינו שיופיע – והוא הופיע במלוא הדרו. חלקיקים כגון ההיגס חיים זמן קצר מאד ודי מיד מתפרקים לחלקיקים אחרים. אנו מאתרים את תוצרי ההתפרקות ומשחזרים מהם את חלקיק המקור. ואת ההיגס ראינו מתפרק לשני פוטונים, וגם לארבעה אלקטרונים, ועוד אופני התפרקות שונים.

באיור 1 רואים תמונה של אחד מתוך עשרות המאורעות שיוצרים את ההמולה התקשורתית שמתחוללת כעת בעולם המדעי. כאשר מנסים לפרש את הדי-פוטון (Di-Photon), כלומר שני הפוטונים (שהגלאי מצייר כקווים ירוקים), כתוצרים של התפרקות של חלקיק כבד, מקבלים שמסתו של החלקיק היא כ-760 GeV, כלומר כבד פי 6 מבוזון ההיגס. מחלקיק אחד כזה לא היינו מתרגשים, כי גם המודל הסטנדרטי מנבא את קיומם של כמה וכמה מאורעות שמסת הדי-פוטונים שלהם בתחום זה. אלא שאנו מקבלים כמה וכמה יותר ממה שהמודל הסנדרטי מנבא. ואז השאלה היחידה הנשאלת היא כמה יותר ואיך קובעים זאת? ״כמה יותר״ מהווה סיבה לכנס מסיבת עיתונאים והתשובה ניתנת במונח סטטיסטי שנקרא מובהקות.

מובהקות נמדדת במספר סטיות התקן. לדוגמה, אם גובהו הממוצע של הגבר האמריקני הוא 177 ס״מ, עם סטיית תקן של 8 ס"מ, אז כ-2/3 מאוכלוסית הגברים יהיו בגובה שבין 169-185 ס״מ. מייקל ג׳ורדון מתנשא לגובה של 198 ס״מ, כלומר גובהו כמעט 3 סטיות תקן מעל הממוצע. פחות מ-1/4 אחוז מהגברים בארה״ב משתרעים לגובה כזה. שאקיל אוניל מתנשא לגובה של 216 ס״מ, כ-5 סטיות תקן מעל הממוצע. רק כ-30 גברים מתוך כ-170 מליון גברים בארה״ב מתנשאים לגובה כזה. פחות מגבר אחד לכל מליון גברים – אין ספק שגבר שגובהו בחמש סטיות תקן מעל הממוצע הוא חריג ומושך תשומת לב. לא ידוע על גבר אמריקני שגובהו שש סטיות תקן מעל הממוצע, אם תראו אחד כזה ברחוב סביר שהגיע ממאדים.

וכך החליטו הפיסיקאים שאם מספר המאורעות בעלי מסה מסויימת גבוה במעל חמש סטיות תקן מעל הצפוי מהמודל הסטנדרטי, סביר להניח שעודף המאורעות אינו נובע מתנודה סטטיסטית אלא מחלקיקים חדשים שנוצרים בנסיון. כך קרה ב-2012 עם גלוי חלקיק ההיגס. אז המספר 5 סיגמא (או 5 סטיות תקן) היה מספר הקסם ושני הנסיונות המצויים במאיץ, אטלס ו- CMS דיווחו על עודף מאורעות ברמה של מעל 5 סיגמא. כל אחד גם דיווח על זה בשני מצבי התפרקות שונים, שאחד מהם היה די-פוטון. עם סטית תקן כזאת גבוהה, הסכוי לטעות, כלומר הסכוי לתנודה סטטיסטית בכל אחד מהנסיונות היה פחות מאחד למליון.

חלקיק ההיגס התגלה במסה של 125 GeV. בסמינרים שניתנו בג׳נבה על ידי שני הנסיונות שממוקמים במאיץ, אטלס ו-CMS, ביום שלישי ה-14 לדצמבר 2015, דיווחו שני הנסיונות על עודף של מאורעות די-פוטונים במסה של כ 750 GeV (פי 6 ממסת ההיגס).

באיור 2 אנו רואים את התפלגות המסה של כל הדי-פוטונים שנרשמו בגלאי אטלס בשנת 2015. אנו רואים שיש מכל וכל, החל מ-200 ועד 1600 GeV. העקומה האדומה בחלק העליון של התמונה, מראה את הצפי מהמודל הסטנדרטי. בכמה מסות אנו רואים מספר מאורעות מתחת לצפוי ובכמה, מעל הצפוי. עודף המאורעות נראה בתחתית בתמונה (עודף שלילי משמעותו פחות מהצפוי). בסביבה של 750 GeV יש הצטברות של מאורעות מעל הצפי שהיא בהחלט יוצאת דופן. ההצטברות יוצרת בליטה בהתפלגות בצורת פעמון (ראה העקום הכחול בתחתית איור 2). אם מתאימים את הפעמון לעודף המאורעות מקבלים כ-15 מאורעות מעל צפי של כ-15 (סך הכל כ-30) מאורעות. הסכוי של תנודה סטטיסטית שתוצאתה מעל 30 מאורעות קטן מ-1:10000 ומקביל לכמעט 4 סיגמא.

איור 2: ספקטרום המסה של מאורעות הדי-פוטונים באטלס. העקום האדום בחלק העליון מראה את הצפי מהמודל הסטנדרטי. הנקודות הן המדידות. עודף המאורעות (מעל או מתחת לצפי) נראה בחלק התחתון של התמונה. הפעמון הכחול צויר על ידי המחבר ואינו שיך לאיור המקורי. (צילום: ATLAS-CONF-2015-081)

איור 2: ספקטרום המסה של מאורעות הדי-פוטונים באטלס. העקום האדום בחלק העליון מראה את הצפי מהמודל הסטנדרטי. הנקודות הן המדידות. עודף המאורעות (מעל או מתחת לצפי) נראה בחלק התחתון של התמונה. הפעמון הכחול צויר על ידי המחבר ואינו שיך לאיור המקורי. (צילום: ATLAS-CONF-2015-081)

 

אם נחשוב קצת יותר לעומק נבין שלו היינו רואים עודף מאורעות ב 600 או 700 או 900 או 200 GeV גם אז היינו נרעשים למראה התגלית האפשרית. עלינו לנסח את השאלה באופן שונה: ״מה הסיכוי לראות עודף עם מובהקות מעל 4 סיגמא באיזושהי מסה בתחום החיפוש (ולאו דווקא ב 750 GeV)?״. כמובן שהסכוי לראות עודף בכל מקום גבוה מהסכוי לראות אותו במקום מסויים. סכוי גבוה יותר מוביל להקטת המובהקות בשיעור ניכר.

אפקט זה של הקטנת המובהקות עקב הרחבת השאלה לחיפוש בכל מסה, ולא רק במסה מסויימת, נקרא אפקט ה״הסתכלות בכל מקום״ או ה-Look Elsewhere Effect (LEE) כפי הגדרנו לעיל. חישוב ה-LEE מסובך אך קיימות נוסחאות שמאפשרות לבצעו בקלות יחסית. ה-LEE ניתן להרחבה גם למשתנים נוספים בבעיה. למשל גם אם העודף היה עם פעמון רחב יותר או צר יותר הוא היה מסב את תשומת ליבינו.

על כן אטלס ניסחו מחדש את השאלה: "מה הסכוי לראות עודף מעל 4 סיגמא בכל מסה ובכל רוחב (של הפעמון) בתחום החיפוש?" בתשובה, המובהקות ירדה לכ-2.2 סיגמא, כלומר סכוי של כ-1.5%. תנודות סטטיסטיות של כ 2 סיגמא הן שכיחות מאד כשמדובר במאות אם לא אלפי מדידות. לכן אטלס גילו משנה זהירות והצניעו את התגלית האפשרית.

בנסוי המקביל CMS התוצאה היתה אף פחות מובהקת. באיור4 ניתן לראות את תוצאת הסכוי לתנודות סטטיסטיות בתחום החיפוש של CMS. הסכוי הנמוך ביותר הוא במסה של 760 GeV ומקביל למובהקות של 2.6 סיגמא. זו מובהקות קטנה מאד וכאשר לוקחים את אפקט ה-LEE בחשבון המובהקות יורדת ל-1.2 סיגמא, שנחשבת באופן מעשי לכל כך שכיחה שאף אחד לא מפנה אליה תשומת לב.

 

איור 3: סכוי לתנודה סטטיסטית בכל מסה בתחום החיפוש (GeV 200-1700) באטלס. הסכוי הנמוך ביותר הוא בסביבות Gev750 והוא מקביל למובהקות של כמעט 4 סיגמא. (צילום: ATLAS-CONF-2015-081)

איור 3: סכוי לתנודה סטטיסטית בכל מסה בתחום החיפוש (GeV 200-1700) באטלס. הסכוי הנמוך ביותר הוא בסביבות Gev750 והוא מקביל למובהקות של כמעט 4 סיגמא. (צילום: ATLAS-CONF-2015-081)

 

בדוגמא לעיל, 4 סיגמא, זה הסכוי שגבר אמריקאי אקראי יהא גבוה מ-209 ס״מ כאשר הממוצע הוא 177 ס״מ וסטית התקן 8 ס״מ.

זה סכוי נמוך מאד, או מובהקות גבוהה מאד. אז מדוע אטלס לא כינסו מסיבת עיתונאים גדולה כדי להכריז על גלוי חלקיק כבד שמתפרק לשני פוטונים?
במבט בחלק התחתון של איור 2 ניתן לראות שיש עודף מאורעות, אמנם לא ניכר, גם באזור של 500,1400 או 1600 GeV.

איור 3 מראה מה הסכוי שכל עודף של מאורעות שאנו רואים נובע מהצפי של המודל הסטנדרטי. באיור זה רואים שהסכוי הנמוך ביותר הוא באזור מסה של 750 GeV. כאמור ככל שהסכוי נמוך יותר המובהקות של ״חלקיק חדש״, כלומר עודף שאינו תנודה סטטיסטית, גבוהה יותר. באזור 750 GeV היא כאמור קרוב ל-4 סיגמא אבל באזור של 1600 GeV ניתן לראות סכוי נמוך שמוביל למובהקות של קרוב ל-3 סיגמא.

התנודות באיור זה ממחישות שתנודות סטטיסטיות הן דבר שבשיגרה. לכן צריך לנקוט משנה זהירות לפני שמכריזים שעודף אינו תוצאה של תנודה סטטיסטית (שמובהקותה גבוהה מאד) אלא תוצאה של חלקיק חדש.

כאשר אמרנו שהסכוי לראות תנודה סטטיסטית באזור של 750 GeV קטן מ 1:10000 ענינו על השאלה: "מה הסכוי שהצפי של 15 מאורעות עם מסה של 750 GeV יבצע תנודה סטטיסטית למספר גבוה מ-30 מאורעות?"

איור 4: סכוי לתנודה סטטיסטית בכל מסה בתחום החיפוש ב-CMS הסכוי הנמוך ביותר הוא בסביבות 760 Gev והוא מקביל למובהקות של 2.6 סיגמא. (צילום: CMS-PAS-EXO-15-004)

איור 4: סכוי לתנודה סטטיסטית בכל מסה בתחום החיפוש ב-CMS הסכוי הנמוך ביותר הוא בסביבות 760 Gev והוא מקביל למובהקות של 2.6 סיגמא. (צילום: CMS-PAS-EXO-15-004)

 

ובכל זאת עצם העובדה ששני הנסיונות רואים את המובהקות הגבוהה ביותר באותה מסה של 750-760 GeV, ובמקרה של אטלס המובהקות במסה של 750 GeV היא כ-4 סיגמא, גורמת בקהילית המדענים הרבה תסיסה.
בשעת כתיבת שורות אלו, יום אחרי הכרזת התוצאות, כבר יצאו עשרות מאמרים של פיסיקאים תיאורטיקאים שמנסים להסביר את התצפית כחלקיק חדש,

ומסבירים מדוע הוא מעדיף להתפרק לפוטונים ומדוע עוד לא ראינו אותו בשום אופן התפרקות אחר. את התשובה נדע רק כשהמאיץ, שכרגע מושבת, יחזור לפעול באביב 2017. עד אז התיאורטיקנים יוכלו להמשיך לחלום ולהנות מהספק.

המאמר פורסם לראשונה בערוץ המדע ב-YNET

עוד בנושא באתר הידען:

8 תגובות ל “פעמי פיזיקה חדשה?”

  1. יאיר

    המאיץ נסגר לשם שיפוץ או לשם שידרוג. זה הכול. המאיץ הוא סיפור הצלחה בינלאומי.

  2. safkan

    ליעד

    נראה לי שלא מוכנים להקציב כסף למחקר הזה משום שהוא שהוא יקר מאוד והוא עקר מבחינה כלכלית. עקר מכיוון שהמכניזם של חלקיקים כל כך לא נשלט עד שלא ניתן להפיק מהם תועלת יש שטוענים שכל התיאוריות של חלקיקים רעועות אבל זו לדעתי לא הבעיה העיקרית. (אילו היה המחקר זול היו ממשיכים במחקר בתקווה שהליקויים יתוקנו. כאמור, הבעיה העיקרית היא הבעיה הכלכלית).

  3. ליעד

    היי, מדוע המאיץ נסגר שוב עד אביב 2017? האם זה לשם שדרוג נוסף אל מעבר 13TeV?

  4. נקודה

    יכול להיות בסך הכל שלהיגס יש אח שמן שאכל הרבה שוקולד.

  5. דוד*

    רוב תודות לפרופ' עילם גרוס!
    שנים שאני תר אחר מאמרים קצרים וממצים בעניני החידושים האחרונים בפיסיקה אלמנטרית.

הוספת תגובה

  • (will not be published)