על גילוי חלקיק ההיגס במאיץ החלקיקים בצרן – חלק ראשון
31/08/2012

מאת גלעד פרז

במאמר זה יסביר ד"ר פרז, המכהן כעמית מחקר במאיץ החלקיקים בצרן וכחוקר בכיר במכון וייצמן למדע, מהו חלקיק ההיגס ומהי חשיבותו בעולם המדע. בחלקו השני של המאמר, שיפורסם בקרוב, יתאר ד"ר פרז את משמעויות הגילוי של החלקיק, ויבדוק האם נאמרה המילה האחרונה בנושא...

מהו חלקיק ההיגס ומהי חשיבותו?

כידוע, קיימים בטבע ארבעה כוחות יסודיים: הכוח החלש האחראי בין היתר להפיכת פרוטונים לניטרונים ולהפך (אחראי לתגובות רדיואקטיביות), הכוח החזק ש"מדביק" את הפרוטונים והניוטרונים בגרעין האטום וכולא את הקוארקים בתוך הפרוטונים והניוטרונים, הכוח האלקטרומגנטי האחראי לכוחות הקיימים בין מטענים חשמליים ומגנטיים, וכוח הכבידה.  בפיזיקת החלקיקים קיים מודל הנקרא "המודל הסטנדרטי" המסביר את קיומם של שלושת הכוחות הראשונים שציינו. במאמר זה נתמקד רק בכוחות אלו, שכן טרם נמצאה תיאוריה המאחדת את ההסבר לכוח הכבידה עם ההסבר לכוחות הללו. אם כן, כל אחד מהכוחות נישא על ידי חלקיק או חלקיקים: הכוח החלש נישא על ידי חלקיקים בשם , W+   W-  ו - Z . הכוח החזק נישא על ידי חלקיקים בשם גלואונים, והכוח האלקטרומגנטי נישא על ידי חלקיקים בשם פוטונים. מבחינה מתמטית, כדי שהכוחות יתקיימו החלקיקים הנושאים אותם צריכים לנוע במהירות האור. כדי שזה יקרה, אסור שתהיה מסה לחלקיקים אלו. ואכן ידוע שלנושאי הכוח החזק והכוח האלקטרומגנטי אין מסה. לעומת זאת, לנושאי הכוח החלש ישנה מסה עצומה של בערך פי 80 – 90 ממסתו של הפרוטון. (לשם השוואה – מסתו של אטום הברזל גדולה פי 55 בלבד ממסתו של הפרוטון).

למעשה, בחמישים השנה האחרונות הייתה תעלומה לגבי מקור המסה של חלקיקים אלמנטריים בטבע, כגון האלקטרון. נציין שמסת הפרוטון איננה נחשבת מסה של חלקיק אלמנטרי אלא נובעת מהאנרגיה הקינטית של הגלואונים המחזיקים אותם יחדיו. (זכרו שישנה שקילות בין מסה לאנרגיה). נסו לחשוב על מצב שבו לאלקטרונים לא הייתה מסה – במקרה זה לא היו רדיוסים סופיים לאטומים (משום שבעולם הקוונטי רדיוסו של מסלול האלקטרון תלוי במסתו, ללא מסה לא היו האלקטרונים קשורים לגרעיני האטומים והכימיה היתה קורסת), העולם כפי שאנו מכירים אותו כולל אותנו לא היה מתקיים.

בשנת 1964 העלו פרופסור פיטר היגס ומדענים נוספים את ההשערה, שלעיתים קיימת בטבע שבירה ספונטנית של סימטריה. דוגמא מוכרת לנו לתופעה שבה נשברת הסימטריה היא מגנט: בד"כ חומרים מורכבים מאטומים שהתנע הזוויתי שלהם (תכונה הקשורה בסיבוב) מצביע בכל הכיוונים. זוהי סימטריה, כיוון שסיבוב של החומר בזווית כלשהי לא משנה את הכיוון הממוצע. חומר מגנטי, לעומתם, מורכב ממיליארדי מיליארדי אטומים שהתנע הזוויתי שלהם מצביע באותו כיוון. זוהי שבירת סימטריה ספונטנית. נחזור לחלקיק ההיגס: כאשר נוצר היקום לאחר המפץ הגדול, הוא היה סימטרי מכל הבחינות. ניתן לדמות את היקום אז למצב בו גז נמצא בחלל בנפח גדול מאד, ולכן בקירוב אין דבר המעכב את החלקיקים העוברים דרכו (משום שה"חיכוך" זניח) במצב זה כל החלקיקים הם חסרי מסה ולכן נעים במהירות האור, וכך (בערך) גם נעו החלקיקים ביקום שזה עתה נולד. היקום החל להתקרר, ולאחר זמן של  10-12 שניות התרחשה שבירת סימטריה ספונטנית ונוצרה ביקום מעין בועה. נדמה בועה זו לבועת נוזלית של מים. במקרה של בועת מים חלקיקים הנכנסים אליה יאטו את מהירותם. במקרה של היקום, מושרית מסה על חלקיקים שיוצרים אינטראקציה עם הבועה ("בועת היגס"). כשם שניתן ליצור גלים בתוך בועת המים על ידי השקעת אנרגיה בבועה, כך ניתן "ליצור גלים" על ידי השקעת אנרגיה בבועת ההיגס. אם יוצרים גלים בתדירות מסוימת בתוך בועת ההיגס, מתקבלים חלקיקי ההיגס שאותם גילו בניסויים בצרן. האנרגיה הדרושה לשם יצירת גלים אלו היא עצומה ומתרכזת בנפח קטן מאד. זאת משום שמסתו של ההיגס (השקולה לאנרגיה שלו) גדולה בערך פי 125 ממסת הפרוטון. למעשה, אחת ממטרותיו העיקריות של המאיץ בצרן הייתה לבנות מאיץ שיספק את האנרגיות העצומות הדרושות להתנגשויות בין פרוטונים, שבעקבותיהן יכול להיווצר חלקיק ההיגס.

בפועל מגלים את ההיגס בדרך עקיפה: ההיגס דועך תוך שבריר שנייה והופך לחלקיקים אחרים, שגם הם יכולים לדעוך לחלקיקים אחרים. דעיכות שונות של ההיגס יכולות להוביל להיווצרות של חלקיקים אחרים. ניתן לגלות את החלקיקים שהם תוצרי הדעיכה של ההיגס (על ידי גלאי מטען או גלאי אנרגיה), ובשחזור לאחור לגלות אם אכן הם תוצרים של ההיגס. למעשה, שתי קבוצות מחקר בלתי תלויות הפועלות בצרן, ATLAS ו – CMS מצאו עדויות כמעט חד משמעיות לגילויו של החלקיק.

בחלקו השני של המאמר נתאר את השלכותיו של גילוי ההיגס.
 
---------------------------------------------------

על הכותב: ד"ר גלעד פרז קיבל תואר ראשון בפיסיקה ומדעי המחשב מאוניברסיטת בר-אילן (1996) ותואר שני (1999) ושלישי בפיסיקה (2003) ממכון ויצמן למדע (בהנחיית פרופ' יוסף ניר). ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, עמד בראש קבוצת מחקר באוניברסיטת ניו-יורק בסטוני ברוק. בשנת 2008 הצטרף למכון ויצמן למדע, למחלקה לפיזיקת חלקיקים אלמנטאריים ואסטרופיזיקה.  כיום הוא משמש גם כעמית מחקר בצרן, שבה נתגלו בחודש יולי השנה עדויות לקיומו של חלקיק ההיגס.