ניסויים ב- CERN מכריזים על עדויות ראשוניות להתפרקות נדירה של בוזון היגס למיואונים 

הבעיה באיתור התפרקות זו היא כי זוגות מיואונים נוצרים גם בדרכים אחרות וקשה להפריד את הרעש מהאות, מסביר פרופ’ אליעזר רבינוביץ ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית ויו”ר הוועדה לאנרגיות גבוהות של האקדמיה למדעים ומשרד המדע

ניסויים ב- CERN מכריזים על אינדיקציות ראשונות להתפרקות נדירה של בוזון היגס למיואונים . הבעיה באיתור התפרקות זו היא כי זוגות מיואונים נוצרים גם בדרכים אחרות וקשה להפריד את הרעש מהאות,  כך מסביר פרופ’ אליעזר רבינוביץ ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית,  ויו”ר הוועדה לאנרגיות גבוהות של האקדמיה הלאומית למדעים ומשרד המדע והנציג המדעי הבכיר של ישראל בסרן, והאחראי מטעם ישראל על שיתוף הפעולה האזורי במאיץ SESAMI בירדן.

לאחרונה התקיימה הוועידה ה-40 לפיסיקה של אנרגיות גבוהות ICHEP (באמצעים דיגיטליים, כמקובל בימי הקורונה א.ב.) . אחת ההכרזות החשובות בוועידה היתה של ממצאים חדשים של החוקרים העובדים במאיץ לפיה התגלתה לראשונה עדות לכך שבוזון היגס מתפרק לשני מיואונים. מיואון הוא כפיל כבד יותר של האלקטרון, אחד החלקיקים היסודיים המרכיבים את החומר ביקום. בעוד האלקטרונים מסווגים כחלקיקים מהדור הראשון, מיואונים שייכים לדור השני. תהליך הפיזיקה של בוזון היגס שמתפרק לזוג מיואונים  (מיואון ואנטי מיואון) הוא תופעה נדירה שכן רק בערך בוזון היגס אחד מ-5000 מתפרק למיואונים. לממצאים הללו יש חשיבות מכרעת לפיזיקה הבסיסית מכיוון שהן מצביעות לראשונה על כך שבוזון היגס מקיים אינטראקציה עם חלקיקים יסודיים מהדור השני.

פיסיקאים ב- CERN חוקרים את בוזון היגס מאז התגלה בשנת 2012 במטרה לחקור את תכונותיו של החלקיק המיוחד הזה. בוזון היגס, המופק מהתנגשויות פרוטונים במאיץ ההדרונים הגדול דועך כמעט מיידית לחלקיקים אחרים. אחת השיטות העיקריות לחקר תכונותיו של בוזון היגס היא ניתוח הדרך שבה הוא מתפרק לחלקיקי היסוד השונים וקצב ההתפרקות.

כידוע בסרן פועלים שני ניסויים שונים – מתקנים גדולים המלאים בציוד המכיל חיישנים רבים  – CMS ואטלס (שבו גם מרוכזים המדענים הישראלים ובו פועלים גם הגלאים המיוצרים בישראל). ניסוי CMS השיגה עדויות לדעיכה זו עם 3 sigma, מה שאומר שהסיכוי לראות את בוזון היגס מתפורר לצמד מיואונים הוא פחות מאחד מכל 700.  במתקן אטלס, שלדברי פרופ’ פרופ’ גיורא מיקנברג ממכון ויצמן הפועל ב-CERN, מכוון לגלות אנרגיות  בטווחים שונים במקצת ולכן הוא הגיע רק לסיגמה – 2. ואולם כשלוקחים את הנתונים משני הניסויים לאורך שנים  ומשלבים אותם במערך ביג דטה אחד מקבלים סיכוי של 1:40, שילוב שנותן סיגמה גדול בהרבה משלוש, ומספק עדות חזקה לדעיכת בוזון היגס לשני מואונים.

בוזון היגס הוא הביטוי הקוונטי של שדה היגס, שנותן מסה לחלקיקים היסודיים איתם הוא מתקשר, דרך מנגנון ברוט-אנגלט-היגס. על ידי מדידת הקצב בו בוזון היגס מתפרק לחלקיקים שונים, פיזיקאים יכולים להסיק את חוזק האינטראקציה שלהם עם שדה היגס: ככל שקצב ההתפרקות גבוה יותר לחלקיק נתון, כך האינטראקציה שלו עם השדה חזקה יותר. עד כה ניסויי אטלס ו-CMS צפו בהתפרקות בוזון היגס לסוגים שונים של בוזונים כמו W ו- Z, ופרמיונים כבדים יותר כמו לפטון טאו. האינטראקציה של בוזון היגס עם הקווארקים הכבדים ביותר, העליון והתחתון, נמדדה בשנת 2018. מיואונים קלים בהרבה בהשוואה והאינטראקציה שלהם עם שדה היגס חלשה יותר. לפיכך, לא נראו בעבר אינטראקציות בין בוזון היגס למויואונים ב- LHC.

מה שהופך את המחקרים למאתגרים עוד יותר הוא שב- LHC, עבור כל בוזון חזוי של היגס המתפורר לשני מיואונים, ישנם אלפי זוגות מיואונים המיוצרים באמצעות תהליכים אחרים המחקים את חתימת הניסוי הצפויה. החתימה האופיינית לדעיכתו של בוזון היגס למיואונים היא עודף קטן של אירועים שמתקבצים ליד מסה של זוג מיואונים בסביבות 125 GeV, שהיא המסה של בוזון היגס. בידוד האינטראקציה בין בוזון היגס לשני מיואונים איננו הישג קל. לשם כך, שני הניסויים מודדים את האנרגיה, המומנטום והזוויות של החלקיקים המועמדים לזוג המיואונים מהתפרקות בוזון היגס. בנוסף, שופרה רגישות הניתוחים באמצעות למידת מכונה. מדעני אטלס חילקו את האירועים הללו ל-20 קטגוריות שהתמקדו בתוצרים האפשריים של התפרקות ההיגס.

התוצאות, שעד כה תואמות את תחזיות המודל הסטנדרטי, השתמשו במערך הנתונים המלא שנאסף מההפעלה השנייה של ה- LHC. עם יותר נתונים שיירשמו מההפעלה הבאה של מאיץ החלקיקים ועם ה- LHC High-Luminosity, שיתופי הפעולה של אטלס ו- CMS מצפים המדענים להגיע לרגישות  סיגמה 5 הנחוצים כדי לבסס את גילוי התפרקות הבוזון של היגס לשני מיונים ולהגביל את האפשרות האפשרית תיאוריות של פיסיקה מעבר למודל הסטנדרטי שישפיעו על מצב התפרקות זה של בוזון היגס.

“על פי המודל הסטנדרטי לחלקיק ההיגס תפקיד מרכזי בהקנית מסה שונה מאפס לחלקיקים רבים ביניהם האלקטרונים הפרוטונים והנויטרונים (והקוורקים שמרכיבים אותם). בכך הוא קובע במידה רבה את אופי האטומים מהם אנחנו בנויים.” מסביר פרופ’ רבינוביץ. לפעמים אפשר למצוא בכתבות  שההיגס אחראי לכל המסה ביקום. זה לא מדויק. גם אם חלקיק ההיגס היה שובת ממלאכתו או פשוט לא היה קיים, חלקיקים רבים היו רוכשים מסה שונה מאפס. אולם ללא ההיגס, המסה היתה קטנה הרבה יותר ואופי האטומים היה שונה מאד ממה שאנחנו רואים בטבע. במודל הסטנדרטי יש ביטוי כמותי מפורש לאבחנה האיכותית הזו. ככל שלחלקיק מסה גדולה יותר  חלקיק ההיגס נצמד אליו בצורה חזקה יותר. אחת הדרכים הניסיוניות לאשש טענה זו היא למדוד את הקצב בו מתפרק חלקיק ההיגס לחלקיקים קלים ממנו. ככל שההיגס נצמד חזק יותר לחלקיק כן נטייתו להתפרק אליו תהיה גדולה יותר. אם מידת ההצמדות אכן מתכונתית למסת החלקיק הרי ניתן לחזות שההיגס יתפרק ישירות לחלקיק הנקרא טאו, שהוא הכבד במשפחת תואמי האלקטרון, מאשר למואון שהוא קל יותר מהטאו אך כבד יותר מהאלקטרון. מכאן גם אפשר להסיק שמספר ההתפרקויות הישירות לאלקטרון, הקל מכולם במשפחתו, יהיה הקטן ביותר.

כאשר תוכננו את המאיץ הענק והגלאים השונים צפי היה שמספר הדעיכות של ההיגס לטאו יהיה מספיק גדול כך שבמאמץ נסיוני עילאי ניתן יהיה לצפות בדעיכה זו. הדעיכה אכן נצפתה ובקצב שחזה המודל הסטנדרטי. רק האופטימיסטים ביותר חשבו שהנסיונאים אכן יוכלו לבודד ולצפות בדעיכות של ההיגס ישירות למואונים. תודות ליצירתיות של הפיזיקאים הניסיונים אכן קרוב לודאי נמצאה העדות לכך ואכן בקצב הצפוי לחלקיק קל יותר. האפשרות  לזיהוי של התפרקות נדירה עוד יותר של ההיגס לחלקיק הקל ביותר ממשפחת האלקטרון, שהוא האלקטרון עצמו, נשארה קטנה מאד במאיץ הנוכחי”

לצד ההצלחות, פרופ’ רבינוביץ’ הוסיף כי “היינו שמחים לגלות תופעות שלא תואמות את המודל הסטנדרטי כדי למצוא קצה חוט לפיזיקה חדשה, אבל גם לאימות המודל יש חשיבות רבה וסמל לניצחון של הידע האנושי”.

הישראלים שבשטח

ומוסיף פרופ’ גיורא מיקנברג: מדובר בממצא ראשוני, שצריך עוד לאמת אותו אבל אם הוא נכון, הוא מחזק את ההוכחה לקשר בין בוזון היגס למסה של החלקיקים. קודם הצליחו להוכיח זאת על חלקיקים מאוד כבדים, ועכשיו גם על חלקיקים קלים יותר כדוגמת המיואונים. הבעיה בניסוי הוא שרעש הרקע מאוד חזק.  לכן לקח הרבה זמן עד שהצליחו להפריד בין שניהם.  הצלחנו בזה כי אספנו נתונים ממספר עצום של התנגשויות, דבר שאיפשר לנו לראות את זה. הן CMS   והן אטלס הם ניסויים מאוד משוכללים. באטלס המכשיר שמגלה את המיונואים הוא מתקן שהייתי אחראי עליו במשך תשע שנים. הניסויים בוחנים דברים מעט שונים. ב-CMS למשל יש שדה מגנטי כפול בחוזקו לעומת זה של אטלס  אז הדגש בו הוא על מיאונים שיש להם אנרגיה בינונית.  באטלס מגלים מיואונים בעלי אנרגיה גבוה מאוד ולכן אטלס פחות טוב בכל הקשור לבוזון היגס.  במקרה של הספקטרומטר המשמש לגילוי מיואנים באטלס אנחנו מדברים על מפלצת של 45 על 25 על 25 מטר  עם 24 מגנטים על מוליכים (שחלקים ממנה נבנו בישראל א.ב.) . אנחנו יודעים היכן נמצא כל גלאי וגלאי עד דיוק של שערה. החלקים של המכונה שחשופים כל הזמן לאנרגיות גבוהות, מתפקדים ברמה של 99%. זה בזכות מהנדסים שמקדישים את כל חייהם כדי לתחזק אותם. ”

הטכניון מחזיק בסרן פוסט דוקטורנט שתפקידו לתקן גלאים פגומים מתוצרת ישראל.

פרופ’ אהוד דוכובני, אף הוא ממכון ויצמן מוסיף: “צוות הטכניון  בראשותה של פרופ’ שלומית טרם תרם תרומה משמעותית לזיהוי ושיחזור המיואונים. החיישנים מעבירים אות חשמלי כאשר פוגע בהם חלקיק. לפי מפת החום ורמזים נוספים, מזהים אם החלקיק שפגע הוא מיואון, וזה שלב מסובך. השלב הבא : זיהוי התנע של החלקיק הוא הרבה יותר מאתגר.”

הטכניון מחזיק בסרן פוסט דוקטורנט שתפקידו לתקן גלאים פגומים מתוצרת ישראל.

עוד בנושא באתר הידען:

• פרופ’ פרנסואה אנגלר זוכה פרס נובל לפיזיקה (והשותף לפרס של פרופ’ היגס) הוא גם חוקר בביה”ס לפיסיקה בת”א * תגובת פרופ’ רבינוביץ’ מהעברית על הנובל: הצדק נעשה
• מייסדי SESAME, ובהם פרופ’ אליעזר רבינוביץ זכו בפרס הדיפלומטיה המדעית של ה-AAAS
• רשמי סיור ב-CERN, חלק 3: האם נשוט רק אם נדע שיש אמריקה מעבר לאוקיאנוס? פרופ’ אליעזר רבינוביץ’ מהאונ’ העברית על חשיבות המדע הבסיסי (גלריה – LHC)