לאחר הגילוי של בוזון היגס, נמצאו רמזים לקיומו של חלקיק שאיש לא צפה. קהילת הפיזיקאים רועשת ורוגשת בחיפוש אחר הסבר

לפני כמה חודשים דיווחו מדענים במאיץ החלקיקים הגדול (LHC), על רמזים לקיומו של חלקיק לא מוכר, שאיש לא צפה את קיומו. את ההודעה הראשונה מסרו מדעני ניסוי ATLAS, אך גם מדעני הגלאי הגדול השני, CMS, דיווחו על רמזים לקיומו של חלקיק בעל תכונות דומות.

החלקיק הזה הוא כנראה בעל מסה גדולה בהרבה מכל החלקיקים המוכרים לפיזיקאים עד כה. להערכת החוקרים המסה היא 750 GeV (ג'יגה אלקטרון-וולט) – פי שישה מהמסה של בוזון היגס. או אם תרצו – היא שקולה למסה של 15 אטומי ברזל.

תגלית כה מפתיעה לא התרחשה מאז אמצע שנות ה-70, וסביר להניח שאם היא תאומת תהיה לכך משמעות עצומה להבנתנו את חוקי הטבע. מאז ההכרזה הראשונה התפרסמו יותר מ-250 מאמרים תיאורטיים שניסו להסביר את התגלית וליישב אותה עם הידע שהצטבר עד היום. המספר חסר התקדים הזה ממחיש עד כמה התגלית מסעירה. אחת ההשערות המקובלות היא שמדובר בחלקיק הדומה בתכונותיו לבוזון היגס, שהתחזיות בדבר קיומו אומתו במאיץ שלוש שנים קודם לכן.

מדוע אנו מופתעים מקיומו של חלקיק חדש? איך מוצאים חלקיק כזה? למה צריך מאיץ חלקיקים כדי לגלות אותו? ומה בדיוק ההבדל בין רמזים לתגלית מבוססת?

כדי לענות על השאלות האלה צריך לחזור כמה עשרות שנים אחורה בזמן. בסוף שנות ה-70 בעקבות התפתחויות תיאורטיות וממצאים בניסויים, ניסחו פיזיקאים את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. המודל תיאר, בסדרה של נוסחאות מתמטיות מורכבות, את כל החלקיקים היסודיים שאנו מכירים בטבע ואת הכוחות הפועלים ביניהם. המודל כלל גם חלקיקים שטרם התגלו אבל היו אמורים להיות שם על פי המשוואות. בארבעים השנים שחלפו מאז אומת המודל באלפי ניסויים, ואושר קיומם של חלקיקים רבים שקודם לכן נחזו רק באופן תיאורטי.

גולת הכותרת הייתה גילויו של בוזון היגס ב-2012, תגלית שזיכתה בפרס נובל שניים מהתיאורטיקאים שחזו את קיומו, פיטר היגס ופרנסואה אנגלרט. הגילוי השלים את המודל הסטנדרטי. מצד אחד, כל החלקיקים שאנו רואים בטבע תוארו על ידי מודל אחד. מצד שני, כל החלקיקים שנחזו על ידי המודל נצפו במעבדה.

חשוב להדגיש שאילו היו גורעים מהתיאוריה אפילו חלקיק אחד, הדבר היה יוצר פרדוקסים מתמטיים בלתי מתקבלים על הדעת, ולכן כל חלקיק בה חשוב. בשל כך הגילוי של חלקיק נוסף יהיה כה מפתיע. מצד אחד, המודל הסטנדרטי מספק לכאורה תמונה שלמה, כך שלא היה לנו צורך בקיומו של עוד חלקיק. מצד שני, חלקיק שלא ידענו על קיומו אומר שהתמונה שראינו עד כה הייתה חסרה, חלק קטן מתמונה גדולה יותר.

איך מגלים חלקיק חדש ולמה צריך מאיץ חלקיקים?
ההסבר נעוץ בנוסחה המפורסמת של איינשטיין, E=MC2 , המגדירה את הקשר בין אנרגיה לחומר. משמעות הדבר היא שאנרגיה יכולה להפוך לחלקיק בעל מסה, וההפך – חלקיקים יכולים להתאיין לאנרגיה טהורה.

במאיץ החלקיקים גורמים להתנגשויות בין פרוטונים באנרגיות אדירות. בחלק מהמקרים האנרגיה שהשתחררה בהתנגשות הופכת לחלקיק החדש. ככל שמסת החלקיק שאנו מייצרים גבוהה יותר, כך אנו צריכים אנרגיה רבה יותר – ולכן מאיץ חלקיקים חזק יותר.

החלקיק החדש שהתגלה לכאורה במאיץ הוא בעל אורך חיים קצר ביותר, ומיד לאחר היווצרותו הוא דועך – כלומר מתפרק לחלקיקים אחרים. אם החלקיק אכן קיים, מיד לאחר המפץ הגדול היקום היה מלא בחלקיקים כמותו, אך כולם דעכו בתוך שבריר שנייה, וכיום המקום היחיד ביקום שבו אפשר למצוא חלקיקים כאלה הוא במאיצי חלקיקים.

בתגלית הנוכחית, החלקיק דעך לשני פוטונים (חלקיקי אור), שאותם רואים בגלאים מיוחדים. האנרגיה שכל פוטון נושא עמו שווה בדיוק למחצית המסה של החלקיק. מדעני הניסויים אטלס ו-CMS ראו בגלאים שלהם מספר רב של אירועים עם שני פוטונים, שכל אחד מהם נושא אנרגיה של 375 GeV. מכאן עולים הרמזים לקיומו של חלקיק בעל מסה של 750 GeV.

הסיבה לכך שהחוקרים מדברים בינתיים רק על רמזים ולא ממהרים להכריז על גילוי של חלקיק חדש היא שחלקיק כזה נוצר רק בחלק קטן מאוד מהתנגשויות הפרוטונים. לרוע המזל, גם במודל הסטנדרטי יש כמה תהליכים שהתוצאה שלהם היא שני פוטונים שכל אחד מהם נושא אנרגיה של 375 GeV, כך שעדיין אי אפשר לדעת בוודאות אם מקור הפוטונים הוא החלקיק חדש או שמא הם תוצרים של המודל הסטנדרטי.

אז מה אפשר לעשות? לספור אירועים. אנו יודעים כמה פוטונים כאלה אמורים להיווצר על פי המודל הסטנדרטי. גם מדעני אטלס וגם מדעני CMS ראו יותר אירועים כאלה מכפי שהיו אמורים להיווצר על פי המודל הסטנדרטי לבדו, אך לא מספיק אירועים כדי להיות בטוחים לחלוטין שמקור האירועים העודפים הוא חלקיק חדש.

בימים אלה, לאחר פגרת חורף של מספר חודשים, מאיץ החלקיקים חוזר לפעול ולאסוף נתונים חדשים. המידע החדש אמור להכריע אם החלקיק הלא מוכר קיים או לא. בתחילת אוגוסט צפויים מדעני המאיץ לדווח על התוצאות החדשות. לנו נשאר בינתיים רק לחכות.