עשור להיגס: מה גילינו, מה חבוי ומדוע פיזיקת החלקיקים לא מתה?

ההרצה החדשה של מאיץ ההדרונים בז’נבה חותמת עשור לגילוי ההיגס ופותחת עשור חדש של מחקר מרתק לא פחות. במאמר זה נסקור מה גילינו ואילו שאלות נותרו פתוחות.

לפני כעשור, ברביעי ביולי 2012 מדענים ברחבי העולם חגגו את גילוי ההיגס, חלקיק בוזוני שנחשב דאז למרכיב החסר במודל הסטנדרטי. החלקיק היסודי נחזה בסדרת מאמרים בשנות השישים והתגלה לאחר ארבעה עשורים במאיץ ההדרונים הגדול בשני ניסויים מקבילים – ATLAS ו- CMS. התגלית היא שיא הצלחתו של המרכז האירופאי לחקר חלקיקים שכלל גם את ישראל אז כמדינה משקיפה (היום כחברה מלאה בארגון).

ועל אף ההצלחות, בזמן שהמאיץ מתחיל את ההרצה השלישית (מתוך חמש הרצות), נשמעים קולות בקהילה המדעית שאירוע זה מסמל את סופו. הסיבה? בעשור האחרון לא הוכרזה שום תגלית שסטתה מהמודל הסטנדרטי (נציין דווקא שכן פורסמו כמה תגליות מעניינות בשנים האחרונות אך הן לא עמדו בסטנדרטים המגדירים “תגלית” בפיזיקת החלקיקים, כלומר וודאות של חמש סיגמה). להזכירכם, המודל שהתפתח בשנות החמישים והושלם בשנות השבעים אינו כולל כבידה קוונטית, את החומר האפל, את האנרגיה האפלה, הוא לא מסביר את הא-סימטריה בין החומר לאנטי חומר ואת אוסילציות נייטרינו.

הצפיות הגבוהות מהמאיץ נובעות מהנטייה הטבעית להוסיף חלקיקים חדשים כדי להסביר סטיות מהמודל הסטנדרטי – חלקם אף נמצאים בטווח האנרגיות של המאיצים הקיימים, אך הם טרם נצפו. בשל המחסור ברמזים ניסויים המבקרים טוענים שאין סיבה לבזבז עוד מיליארדי דולרים מכספי הציבור בגישוש עיוור ללא מטרה ברורה. כמובן שזו ביקורת מובנת, אבל באותה נשימה צריך לזכור שפיזיקת החלקיקים לא מתמקדת אך רק בגילויים של חלקיקים חדשים, אלא גם בחקר התנהגותם של חלקיקים קיימים, בין היתר גם בוזון ההיגס. מאז גילויו בשנת 2012, פיזיקאים עסקו בשאלה אם החלקיק החדש אכן תואם את התחזיות של המודל הסטנדרטי.  חגיגות העשור לגילוי ההיגס פותחות בפנינו הזדמנות טובה לסכם את חמש התגליות המרכזיות בתחום ואת חמש השאלות שנותרו פתוחות.

מסת ההיגס היא 125 מיליארד אלקטרון וולט

פיזיקאים ציפו למצוא את ההיגס במוקדם או במאוחר, אך לא ידעו מתי בדיוק. בשנות השישים, חוקרים שיערו ששדה ההיגס יכול להסביר מדוע לפוטון (חלקיק האור) אין מסה או מדוע הבוזונים W ו-Z המתווכים את הכוח החלש, כבדים כל כך. אומנם התאוריה שהוצעה מנבאת את מסת הבוזונים, היא איננה מסוגלת להסביר את מסת ההיגס. מסיבה זו פיזיקאים לא היו בטוחים היכן ההיגס מתחבא. להפתעת רבים, ההיגס הופיע מוקדם מהצפוי – כבר בהרצה הראשונה בשנת 2009 החלו להצטבר עדויות לחלקיק החמקמק ושלוש שנים לאחר מכן הוא הוכרז כתגלית. המהירות שבה ההיגס הוכרז נובעת בעיקר מרגישות המאיץ לטווח האנרגיות בו החלקיק נמצא והיכולת של המאיץ לאתר את שלל ההתפרקויות שלו.

להיגס ספין אפס

ההיגס הוא החלקיק האלמנטרי הראשון בעל ספין אפס שהתגלה, ולמען האמת גם היחיד. שאר החלקיקים בטבע בעלי ספין חצי או ספין אחד. ספין היא תכונה קוונטית שאין לה אנלוג קלאסי. לרוב חלקיקים בעלי ספין חצי נמשלים למגנטים קטנים אך כמובן שהדמיון בין השניים איננו מדויק ולא ניתן להכללה עבור חלקיקים בעלי ספין שלם. מבחינתנו, ניתן לחשוב על ספין בתור “מטען” כמו מטען חשמלי שכל חלקיק יכול לשאת. מטענים בטבע משפיעים על האינטראקציות בין החלקיקים ועל התוצרים שיכולים להיווצר מפיזורם. בעת גילויו בשנת 2012, הספין של ההיגס לא אומת ונותר בגדר תעלומה. בשנת 2013 חוקרים בחנו את פיזור הפוטונים שנפלטו מהתפרקויות של חלקיקי ההיגס ואישרו בוודאות גבוהה שלבוזון החדש יש ספין אפס. לפני שהספין אומת, חוקרים היססו לכנות את החלקיק החדש בתור בוזון ההיגס משום שהמכניזם התאורטי דורש חלקיק בעל ספין אפס.

ההיגס שלל תאוריות המרחיבות את המודל הסטנדרטי

כמה מהתאוריות שמנסות להסביר את האסימטריה בין החומר לאנטי חומר לא היו קונסיסטנטיות עם מסת ההיגס. למען האמת ישנן לא מעט תאוריות שמסת ההיגס מציבה אותן באיזור האפור. מסיבות אלו קשה להפריך או להוכיח אילו תורות מרחיבות את המודל הסטנדרטי ואילו תורות אינן קונסיסטנטיות עם הטבע על סמך מסת החלקיק בלבד.

ההיגס מגיב לחלקיקים אחרים בהתאם למודל הסטנדרטי

על סמך קצב ההתפרקות, ניתן להעריך את עוצמת האינטראקציה של ההיגס עם שאר חלקיקי הטבע. במילים אחרות, פיזיקאים סופרים כמה פעמים ההיגס התפרק לחלקיק כזה או אחר ומתוך ההתפלגות הם הסיקו שההיגס מתפרק לחלקיקים כבדים בתדירות גבוהה יותר. כלומר המסה פרופורציונלית לעוצמת האינטראקציה בין החלקיקים, בדיוק כפי שנחזה במודל הסטנדרטי לפני כ-60 שנה.

היקום יציב, פחות או יותר

חישובים שבוצעו בעבר הראו ששדה ההיגס לא בהכרח נמצא בערכו המינימלי הגלובלי. כלומר, בעתיד הלא ידוע יתכן ששדה ההיגס ידעך אנרגטית וישנה את מבנה היקום. הסיבה לכך היא שערכו המינימאלי קובע את מסת החלקיקים ואת האינטראקציה שלהם עם שדה ההיגס. שינוי בעוצמת האינטראקציה או במסת החלקיקים עשוי לעורר תגובת שרשרת קטסטרופאלית. בספרות המדעית מקרה זה מכונה כ”דעיכה לוואקום”. הדעיכה אינה מתרחשת במיידית, אלא מתפשטת כבועה במהירות אדירה. למזלנו, כדי ששינוי שכזה יקרה במיידית נדרשת אנרגיה עצומה שההסתברות שתיווצר ביקום אפסית בכל קנה מידה.

אילו שאלות נותרו פתוחות?

האם נוכל למדוד את ההיגס בדיוק גבוה יותר?

ההרצות האחרונות הראו התאמה של כ-90 אחוזים בתכונותיו של ההיגס ביחס למודל הסטנדרטי. על אף שמדובר בדיוק גבוה, שגיאה של 10 אחוזים איננה זניחה ואיננה רגישה לתיקונים של המודל. ההרצות החדשות אמורות להגדיל את מספר ההתנגשויות ובכך להגדיל את דיוק המדידות. עד כה המאיץ אסף רק חמישה אחוזים מהנתונים שהוא צפוי לאסוף לאורך חייו ולכן הדיוק אמור להשתפר משמעותית בשנים הקרובות. החוקרים בסרן טוענים שפיזיקה חדשה תתגלה בסבירות גבוהה יותר דרך מדידות מדויקות ולא מחלקיק חדש שיאותר בניסוי.

האם ההיגס מגיב לחלקיקים קלים?

עד כה צפינו באינטראקציות של ההיגס עם חלקיקים כבדים, למשל בהתפרקות ההיגס לקווארק כבד. פיזיקאים סבורים שההיגס אמור להתפרק באופן דומה גם לקווארקים קלים יותר. בשנת 2020 פורסם שהמאיץ איתר התפרקות נדירה יחסית של ההיגס למיואונים, בן דוד של האלקטרון, הדומה בתכונותיו אבל כבד יותר. אומנם הניסוי מאשר את הקשר בין מסת החלקיק לעוצמת האינטראקציה עם שדה ההיגס, אך האי וודאות עדיין גדולה.

האם ההיגס מגיב לעצמו?

מאחר ומסת ההיגס שונה מאפס, החלקיק אמור לבצע אינטראקציה עם עצמו. ההתפרקויות של חלקיקי היגס אנרגטיים לחלקיקי היגס פחות אנרגטיים נדירות ביותר וקשות לאיתור. כרגע אנחנו לא מצפים לראות אינטראקציות שכאלו, אולי בהרצה הרביעית בשנת 2026 לאחר שיבוצע שדרוג נוסף בניסויים ATLAS ו-CMS. האינטראקציות העצמיות חשובות מאוד למבנה היקום – מהקצב שבו ההיגס מגיב לעצמו, פיזיקאים יכולים להסיק כיצד האנרגיה הפוטנציאלית של ההיגס משתנה בנקודת המינימום שבו הוא נמצא. תגלית זו עשויה להסביר את הדינאמיקה של היקום המוקדם ואולי גם את הא-סימטריה בין החומר לאנטי חומר.

זמן החיים של בוזון ההיגס

פיזיקאים מתעניינים בזמן החיים של ההיגס, כלומר כמה זמן לוקח להיגס בממוצע להתפרק מרגע היווצרותו. הסיבה שפרמטר זה יכול להיות מעניין הוא משום שסטייה מערכו הצפוי עשויה להעיד על הימצאותם של חלקיקים חדשים. השיטה לחישוב זמן החיים לוקחת בחשבון את ההתפלגות האנרגטית של ההיגס בכל ההתנגשויות שנוצרו במאיץ, כאשר רוחב ההתפלגות האנרגטית פרופורציונלית לזמן החיים של החלקיק. בשנה שעברה זמן החיים שחושב הוא 2.1 עשירית המיליארדית המיליארדית המיליארדית השנייה. התוצאה שהתגלתה תואמת את המודל הסטנדרטי אך אולי בעתיד הקרוב, יתגלו סטיות מתוצאה זו העשויות לרמוז על חלקיקים שאינם ניתנים לאיתור ישיר כדוגמת החומר האפל.

ניבויים אקזוטיים

תאורטיקנים העוסקים בהרחבת המודל הסטנדרטי הציעו בעבר כמה תיקונים להיגס – חלקם משערים שההיגס אינו חלקיק יסודי אלא מורכב מגופים קטנים יותר, ממש כמו שהפרוטון בנוי מקווארקים. אחרים טוענים שקיימים עוד חלקיקים הדומים להיגס אך עם ספין או מטען חשמלי אחר. בהרצות הבאות המאיץ הגדול יבחן השערות אלו ומקביל גם התפרקויות שאסורות על פי המודל הסטנדרטי.

השדרוג האחרון מאיץ את חקר ההיגס למחוזות חדשים. כפי שכבר ציינתי, פיזיקת החלקיקים איננה נשענת רק על גילוי ישיר של חלקיקים חדשים, אך גם להם חשיבות רבה.

הכתבה מבוססת על מאמר שפורסם בנייצ’ר

יש לכם שאלה או נושא שתרצו שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת [email protected]

עוד בנושא באתר הידען:

• פרמילאב: גילינו רמזים לפיזיקה חדשה
• מי ימצא ראשון את “חלקיק האלוהים”
• גילוי ההיגס הינו חגיגה למאמץ השיטתי מול השטחיות של ימינו
• רשמי סיור ב-CERN, חלק ד’:פרופ’ עילם גרוס: גילוי ההיגס הוא תחילת המדע החדש של המאה ה-21
• לראשונה אופיין בוזון היגס בדעיכתו לזוג קווארקים ״קסומים״