חיי כבוזון היגס

לפני כ-12 שנים, ב-4 ביולי 2012, צבאו המונים על הכניסה לאולם ההרצאות במרכז האירופי למחקר גרעיני, CERN בז'נבה. ההתרגשות היתה דומה לזו שיש באוויר לפני מופע רוק חד פעמי, לפחות "האבנים המתגלגלות". אלא שהפעם היה מדובר בהכרזה של מעבדת CERN, כי שניים מהניסויים הגדולים שלה, גלאי "אטלס" וגלאי CMS, שמחפשים כבר כמה שנים אחר בוזון היגס, המכונה גם "החלקיק האלוהי", במאיץ החלקיקים הגדול LHC, מצאו ראיות לקיומו.

אווירה של מופע רוק חד-פעמי. אירוע ההכרזה על גילוי בוזון היגס ב-CERN, יולי 2012 | צילום: CERN

כמי שעמד בראש קבוצת החיפוש ב"אטלס", עברתי במהירות את טבעת הביטחון ונכנסתי לאולם. לא היה לנו מושג אם מנכ"ל CERN, רולף-דיטר הוייר (Heuer), יכריז על גילוי בוזון היגס או רק יודיע על קיום ראיות חזקות לקיומו, כפי שעשה חצי שנה קודם לכן, כשהתחלנו לראות סימנים. בעודנו מצפים לתחילת האירוע ראינו את מנהלי הניסויים שגילו את החלקיק, שב-CERN מכנים אותם "דוברים", נכנסים לאולם. ג'ו אינקנדלה (Incandela) דובר CMS, ואחריו פביולה ג'נוטי (Gianotti) דוברת אטלס, והיום מנכ"לית CERN. לפתע ראינו את פטר היגס (Higgs) ופרנסואה אנגלר (Englert) נכנסים לאולם. הם ניגשו זה לזה ולחצו ידיים.

זו היתה פגישתם הראשונה, ולא היה להם אז מושג שכעבור שנה הם יפגשו שוב, בסטוקהולם, ויקבלו יחד את פרס נובל בפיסיקה על הניבוי התיאורטי של המנגנון לנתינת מסה לחלקיקים באמצעות שדה היגס. ההתרגשות שלנו, ציידי ההיגס, הגיעה לשיא, שכן להזמנתם של אנגלר והיגס לאירוע, היתה משמעות ברורה. CERN מתכוונת להכריז על גילוי בוזון היגס. לא רק ראיות לקיומו, אלא על גילוי. ואכן הויר אמר בסיכום דבריו "כאיש מן הישוב הייתי אומר שאני חושב שיש לנו את זה. יש לנו תגלית. גילינו חלקיק חדש, עקבי עם התחזיות לבוזון היגס". המאמרים המדעיים מאחורי הגילוי ראו אור במהדורה חגיגית מיוחדת של כתב העת Physics Letters. 

יש לנו את זה, בדרך לפרס נובל. פיטר היגס ופרנסואה אנגלר באירוע ההכרזה על גילוי בוזון היגס | צילום: CERN

פגישה בדואר

פטר היגס נפטר החודש, בן 94. היגס מתואר בעיתון "אינדיפנדנט" כסבא צנוע הליכות שמאז פרישתו לגמלאות מאוניברסיטת אדינבורו ב-2006 עסק בטיפול בנכדיו, בקריאה, בהאזנה למוסיקה קלאסית ובטיולים בהרים היפהפיים של סקוטלנד.

אני יכול להעיד על כך אישית. ב-2009 במסגרת ההרצאות הפופולריות שאני נותן ברחבי הארץ מזה שנים רבות, שלחתי מייל להיגס ובקשתי להיפגש ולשוחח איתו על הסיפור המופלא של בוזון היגס. הוא כתב מאמר מופלא בשם: "חיי כבוזון" ובו תיאר את ההיסטוריה ואת האנשים שהיו מעורבים בניבוי קיומו של החלקיק הנושא את שמו. הסיפור מרתק ורציתי לשמוע אותו מפי היגס עצמו. חודשים רבים עברו עד שקיבלתי מייל חוזר מאלן ווקר (Walker), פיזיקאי שהגדיר עצמו מזכירו המדעי של פיטר היגס. ווקר כתב שהיגס לא משתמש בדואר אלקטרוני. הוא מהדור הישן. אבל בהתחשב בכך שהייתי צייד היגס ידוע מאוד בקהילת הפיזיקאים שניסו לגלות החלקיק, הוא הציע שאבוא לתת סמינר באוניברסיטת אדינבורו. הוא הוסיף כי היגס הביע עניין, יהיה בסמינר שלי, ואחריו ניפגש על כוס בירה והוא יענה על שאלותיי. הוא אפילו יממן את הנסיעה שלי.

בסוף פברואר 2009 הייתי נרגש מאוד כשהגעתי לאכסניית האוניברסיטה. מזג האוויר היה חורפי, ורק רציתי שהלילה יעבור מהר ולמחרת אפגש סוף סוף עם היגס. בחדר חיכה לי תה אנגלי ליד מכשיר הטלפון שבו הבהבה נורה. זו היתה הודעה מאלן ווקר. הוא בירך אותי על בואי והתנצל שהיגס לא יגיע לסמינר שלי כי עליו לשמור על הנכדים שלו, וזהו. למחרת נתתי את הסמינר ואחריו ווקר לקח אותי לסיור פאבים באדינבורו. הוא אמר שהיגס מסתובב בין הפאבים וגם אוכל שם צהריים, ואולי נפגוש אותו.  

במקום שיחת בוזונים עם היגס, סיור פאבים עם מזכירו. עילם גרוס עם אלן ווקר, מזכירו המדעי של היגס בפאב באדינבורו | צילום באדיבות עילם גרוס

השארתי לווקר רשימת שאלות ואת המתנה שהבאתי להיגס, גירסת הרומן הגרפי של "ולס עם באשיר". חשבתי שזו מתנה נאותה למי שסירב לקבל את פרס וולף ב-2004 במחאה על מה שכינה "הכיבוש הישראלי בשטחים". חזרתי מאוכזב לישראל.

 שנה חלפה לה וכבר שכחתי מהאירוע, והנה בתיבת הדואר שלי במכון ויצמן אני מוצא מכתב של פעם… דפי נייר במעטפה ממוענת אלי, והשולח הוא לא אחר מאשר פיטר היגס מרחוב דרנווי באדינבורו.

המכתב כלל דברי תודה על "ולס עם באשיר" ותשובות מפורטות לשאלותיי. הכל בכתב יד כמעט בלתי קריא, שנכתב בעט על נייר מכתבים של פעם. מעז יצא מתוק. קבלתי את חייו של פטר היגס כ"בוזון היגס" ישר לתיבת הדואר שלי.

קיבלתי את חייו ישירות לתיבת הדואר. מעטפת המכתב של פיטר היגס לעילם גרוס | צילום באדיבות עילם גרוס 

סימטריה ושבירתה

היגס הצנוע מציין במכתבו שבע תרומות לגילוי, החל מלב לנדאו (Landau) ב-1960 ועד טום קיבל (Kibble) ב-1964. הסיפור התחיל כשריצ'רד פיינמן (Feynman) ועוד רבים אחרים פיתחו את תורת הפוטונים, או מה שנקרא "תורת השדות של הכוח האלקטרומגנטי" (QED). בתיאוריה הזו, משיקולי סימטריה נולד הכוח החשמלי שמועבר על ידי חלקיקי כוח מתווכים, הפוטונים חסרי המסה. הפיזיקאים התאהבו ברעיון הסימטריה וניסו ליישם אותו גם בתיאוריות של שאר הכוחות בטבע. אלא ששיקולי סימטריה מחייבים שהחלקיקים בטבע יהיו חסרי מסה, ובפרט חלקיקי הכוח. אבל מסה היא מחויבת המציאות. בלי מסה השמש לא היתה מספקת לנו אנרגיה בהיתוך גרעיני, לא היו אטומים ולא היתה כימיה כפי שאנחנו מכירים אותה. מסה היא הכרחית לקיומנו, ובלעדיה לא היינו פה. סימטריה היא יופי, והיינו רוצים שהפיזיקה שמתארת את היקום תהיה אפופה ביופי, אבל מה לעשות אם זה לא מתאים?

אחד הפתרונות שהוצעו היה הרעיון של "שבירת סימטריה ספונטנית". למערכת הפיזיקלית יש סימטריה, אבל היא נשברת על ידי החלקיקים שמאכלסים אותה. כך המערכת נשארת סימטרית אבל החלקיקים "לא רואים" את הסימטריה. היא חבויה מהם. זה דומה למטאטא הפוך שמחזיקים בשיווי משקל על קצה האצבע ואז הוא נופל לכיוון כלשהו בלי שאפשר לנבא מראש לאן הוא ייפול. לפני הנפילה יש למטאטא סימטריה מעגלית לגמרי, והוא יכול ליפול לכל כיוון. אחרי הנפילה לכוח הכבידה שהפיל את המטאטא עדיין יש סימטריה מושלמת, אבל למטאטא עצמו כבר אין.

שבירה ספונטנית של הסימטריה. ממצאים של גלאי "אטלס" שאיפשרו את זיהוי בוזון היגס | צילום: CERN

הפיזיקאי היפני-אמריקאי יוצ'יהירו נמבו (Nambu) הציע ב-1960 ליישם  שבירת סימטריה ספונטנית כדי לתת מסה לחלקיקי כוח. חלקיקי כוח חייבים להיות בעלי מסה כדי לתאר כוחות קצרי טווח, כמו הכוח הגרעיני החזק או הכוח הגרעיני החלש. לימים הוא קיבל פרס נובל בפיזיקה על כך. לאחר מכן הראה הפיזיקאי הבריטי ג'פרי גולדסטון (Goldstone) כי שבירת סימטריה ספונטנית מחייבת קיומם של חלקיקים חסרי מסה, שנקראו על שמו "בוזוני  גולדסטון". הניסיונאים חיפשו את החלקיקים הללו, אך לא מצאו אותם.

ב-1964 פרסם היגס מאמר בן שלושה עמודים שבו הראה איך אפשר להימנע מבוזוני גולדסטון חסרי המסה. זמן קצר אחרי כן הוא הראה איך אפשר להקנות מסה לבוזון כוח, ובכך לאפשר לכוח להיות קצר טווח, על ידי כך שבוזון הכוח חסר המסה, כמו פוטון, "אוכל" את חלקיק הגולדסטון חסר המסה ומקבל מסה בעצמו, כמו בוזון ה-W שמתווך את הקרינה הרדיואקטיבית. המאמר הקצרצר, עמוד וחצי בלבד, נשלח לאותו כתב עת ונדחה. היגס היה בהלם, ולא הבין איך הם מפרסמים את מאמרו הראשון ודוחים את השני, שהוא בעצם המשכו. הוא נשם עמוק וניסה לקרוא ולהבין מה לא בסדר במאמר שנדחה. לאחר מכן הוא הוסיף פסקה בסיום ובה הוא קבע: "זה בלתי נמנע בתיאוריה מהסוג שתיארתי, למצוא עוד חלקיק או חלקיקים סקלרים (ללא ספין) נוספים". כך נולד בוזון היגס.

היגס שלח את המאמר עם התוספת לכתב עת אחר, שקיבל אותו עם הסתייגות אחת: חודש קודם לכן פורסם בכתב העת הזה מאמר של אנגלר ורוברט בראוט (Brout) והוא התבקש לצטט אותו. לימים נודע שהמבקר שקרא וקיבל את מאמרו היה לא אחר מאשר נמבו. במכתבו אלי סיפר היגס (אני מפשט): "במאמר הראשון שלי הראיתי איך אפשר להימנע מחלקיקי גולדסטון חסרי מסה. אנגלר ובראוט הראו איך אפשר להפוך בוזוני גולדסטון חסרי מסה לחלקיקי כוח בעלי מסה, אבל לא התייחסו לחלקיקים בעלי המסה שנותרים. במאמר השני הראיתי איך אפשר באופן פשוט לקבל בוזונים בעלי מסה מבוזוני גולדסטון אבל הצבעתי מפורשות על קיומו של חלקיק נוסף בעל מסה". היגס נותן קרדיטים לפיזיקאים רבים, אבל מציין מפורשות שהוא היחיד שניבא את קיומו של החלקיק שלימים נקרא בוזון היגס.

היחיד שניבא את קיומו של החלקיק הסקלרי הנוסף, שלימים נקרא על שמו. פיטר היגס בגלאי אטלס, שחלק ממרכיביו פותחו בישראל | צילום: CERN

פיזיקאי צנוע

מיד אחרי גל המאמרים של 1964 על שבירת הסימטריה הספונטנית, ובפרט אחרי ניבוי החלקיק על ידי היגס החל מרוץ של הנסיונאים לצוד את החלקיק הסקלרי הנוסף. במעבדת פרמילאב (Fermilab) בשיקגו נעשו מאמצים אדירים למצוא את החלקיק, אך ללא הצלחה. לאון לדרמן (Lederman), מנהל פרמילאב וחתן פרס נובל בפיזיקה, מתוסכל מחוסר ההצלחה במציאת החלקיק כתב ספר על החיפוש ב-1993. לדבריו הוא רצה לקרוא לספר: "החלקיק הארור" (The Godamn Particle), אבל המו"ל טען שהשם לא ימכור ספרים, והציע לקצר אותו ל- The God Particle, וכך הספר הוליד את הכינוי "החלקיק האלוהי".

המדענים לא אהבו את השם הזה, והיגס עצמו התנגד לכך נחרצות בהיותו אתאיסט מושבע. עם זאת יש צדק פואטי בשם הזה, שכן אלמלא בוזון היגס לא היינו פה. היגס גם לא אהב את העובדה שהחלקיק נקרא על שמו, ונהג להתייחס אליו כ"הבוזון שמכונה בוזון היגס" (The So Called Higgs Boson).

בסופו של דבר נפגשתי עם היגס בחטף, כשהוזמנתי להציג את גילוי הבוזון על ידי ניסוי אטלס בסימפוזיון שנערך באדינבורו מיד לאחר ההודעה על התגלית ולפני ההכרזה על הענקת פרס נובל בפיזיקה להיגס ואנגלר ב-2013. ועדת הפרס חיפשה נואשות את היגס כדי לבשר לו על ההחלטה לפני ההודעה הרשמית, כמקובל. אבל הוא נעלם – כאילו לא רצה לשמוע. בסופו של דבר התבשר על כך רק לאחר ההכרזה הפומבית, משכנה שפגשה אותו ברחוב, הולך לביתו.

מסופר עוד שוועדת הנובל שהתכנסה לבחור את הזוכים בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2013 התלבטה קשות לגבי האפשרות להעניק את הפרס לאטלס ו-CMS בנוסף להיגס ואנגלר. בסופו של דבר צוטט אחד מחברי הוועדה באמרו שהם לא רצו ש-5000 אנשים יטענו שהם חתני פרס נובל. לכן הפרס הוענק להיגס ולאנגלר, כשבנימוקי הוועדה  נאמר מפורשות שהוא ניתן בזכות התגלית של בוזון היגס על ידי CERN.

כשהיגס נשאל להרגשתו לאחר גילוי הבוזון הקרוי על שמו, אמר: "אני שמח שזה התגלה בזמן החיים שלי". כמדען החוקר חלקיקים שזמן חייהם נמדד בשברירי שניות, הבנתי שרק פיזיקאי צנוע במיוחד יכול לענות תשובה כזאת.

עילם גרוס הוא פרופסור במחלקה לפיזיקת חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע, ועמד בראש קבוצת החיפוש אחר בוזון היגס בגלאי"אטלס" ב-CERN בעת הגילוי