מחקר בשיתוף מדענים ישראלים מבסס את התיאוריה על קיומו ותכונותיו של החלקיק שהתגלה לפני שש שנים, ומשפר את הבנתנו על הכוחות והחלקיקים ביקום

חוקרים משתי קבוצות ניסוי במאיץ החלקיקים האירופי הענקי ב-CERN דיווחו על ממצאים נוספים התומכים בקיומו של חלקיק היגס, שהתגלה לפני שש שנים, גילוי שביסס עוד את המודל הסטנדרטי כמסגרת תיאורטית המתארת את רוב הכוחות והחלקיקים ביקום. בעקבות הגילוי הוענק פרס נובל בפיזיקה לשניים מהמדענים שחזו את קיומו, פיטר היגס (Higgs) ופרנסואה אנגלר (Englert).

התגלית הנוכחית שעליה הכריזו החוקרים בגלאי ATLAS ו-CMS במאיץ מחזקת את המודל הסטנדרטי בכך שהיא מוסיפה ראיות לתקפותו ובפרט לתכונות של חלקיק היגס שנחזו אך טרם נצפו, ומאפשרת לבנות או לפסול רעיונות חדשים העונים על השאלות הפתוחות במודל הסטנדרטי.

גילוי עקיף

שדה היגס והחלקיק המשויך אליו, חלקיק היגס, הוצעו בשנות השישים של המאה העשרים כתוספת לתיאוריות שהיו מקובלות אז, במטרה לפתור בעיה שעמדה בליבן של אותן תאוריות: מאין מקבלים חלק מהחלקיקים את המסה שלהם? בשנים אלו הבחינו פיזיקאים כי קיים קשר הדוק בין שניים מארבעת הכוחות בטבע – הכוח האלקטרו-מגנטי והכוח הגרעיני החלש.

הבחנה זו הובילה לפיתוח התיאוריה האלקטרו-חלשה, שהצליחה לנבא ולחזות את החלקיקים המושפעים מהכוחות ואת אלו הנושאים את הכוח - פוטונים כנושאי הכוח האלקטרומגנטי וחלקיקים בשם בוזוני Z ו-W, הנושאים את הכוח החלש. ואולם בתיאוריה היה כשל מרכזי: אותם חלקיקים אמורים להיות חסרי מסה, כשבמציאות מדידות הראו כי לחלקם דווקא יש מסה לא זניחה כלל. כדי לפתור את הבעיה הציעו פיזיקאים מנגנון המעניק מסה לאותם חלקיקים חסרי מסה באמצעות שילוב שדה נוסף שבא במגע עם אותם חלקיקים. לימים נקרא המנגנון הזה בשם מנגנון היגס, השדה קיבל את השם שדה היגס והחלקיק שהוא עירור השדה  מוכר בשם חלקיק היגס או בוזון היגס. כדי להוכיח את נכונותה של התיאוריה וקיומו של השדה היה על המדענים להצליח ולגלות את חלקיק היגס וללמוד על תכונותיו. משימה זאת עמדה לנגד עיניהם של המדענים שתכננו ובנו את מאיץ החלקיקים LHC, שהחל לפעול ב-2008 בין היתר במטרה לגלות את החלקיק הזה וללמוד על הדרך שבה הוא פועל הדדית עם חלקיקים אחרים.

גילויו של חלקיק היגס טומן בחובו מספר קשיים ואתגרים. מסתו הגדולה מבטיחה שהוא ייווצר רק כתוצאה של התנגשויות באנרגיות גבוהות במיוחד, וזמן חייו הקצר (פחות ממיליארדית-מיליארדית השנייה) הופך אותו לחמקמק במיוחד. בנוסף, אי אפשר לגלות אותו ישירות בעזרת גלאי, אלא באמצעות בחינת השרידים שלו, אחרי שהוא הופך לחלקיקים אחרים, מה שהפיזיקאים מכנים "דעיכה" .

חיזוי שהתאמת כעבור עשרות שנים בעזרת מאיץ החלקיקים, והניב גם פרס נובל. פיטר היגס | צילום: Science Photo Library
חיזוי שהתאמת כעבור עשרות שנים בעזרת מאיץ החלקיקים, והניב גם פרס נובל. פיטר היגס | צילום: Science Photo Library

כדור בלתי נראה

אפשר לחשוב על ההיגס כעל כדור בלתי נראה הנע במרחב, וברגע מסוים הוא מתפוצץ (או דועך) וחלקיו ניתזים ממנו בכיוונים שונים. אם לאחר הפיצוץ חלקי הכדור יהפכו להיות נראים, נוכל לבחון את התכונות שלהם ולהסיק בעזרתן מסקנות על אופיו ותכונותיו של הכדור בלתי נראה שלא יכולנו למדוד - חלקיק ההיגס. לכן פיזיקאים מנתחים את החלקיקים שהם כן מצליחים לגלות, בתקווה ללמוד בעזרתם על חלקיקים אחרים שלא מבחינים בהם בגלאים הקיימים. כאן נכנס קושי נוסף - חלקיק היגס נוצר באופן נדיר למדי, באחת מתוך כמיליארד התנגשויות חלקיקים בממוצע, לכן רוב החלקיקים שנצפים בגלאי המאיץ בעקבות התנגשות כלל לא נוצרו מחלקיק היגס, אלא בתהליכים אחרים. לכן, כדי לזהות את חלקיק היגס, על המדענים לדעת היטב כיצד לאתר את תוצרי דעיכתו מתוך שטף של חלקיקים רבים אחרים.

לשם כך נעזרים החוקרים במודל התיאורטי של החלקיק, והאופן שבו הוא מבצע פעולות גומלין עם שדות אחרים. מתוך התיאוריה החוקרים יכולים לגלות את כל הדרכים השונות שבהן החלקיק יכול לדעוך (מה שמכונה ערוץ דעיכה) ולדעת אילו חלקיקים עליהם לאתר כדי לגלות שרידים של חלקיק היגס. התיאוריה גם אומרת מה הסיכוי של חלקיק  מסוים לדעוך בכל אחד מן הערוצים. במקרה של היגס בכ-60 אחוז מהפעמים שהוא נוצר, הוא דועך לצמד חלקיקים, קווארק בשם bottom  והאנטי-קווארק הצמוד לו. הבעיה היא שהצמד הזה נוצר גם בדעיכה של חלקיקים אחרים, ולכן קשה לדעת אם מקורו בחלקיק היגס או בחלקיק אחר.

כדי לגלות את חלקיק היגס בחרו המדענים לחפש ערוצי דעיכה נדירים יותר, המסתיימים בחלקיקים שקל יותר לזהותם בשטף החלקיקים המגיע ממקורות שונים. כך היה ב-2012, כאשר המדענים זיהו את חלקיק היגס באמצעות תוצרי ערוץ דעיכה נדיר שלו, כזה המתרחש רק באחת מכל כ-500 פעמים שבהם חלקיק היגס נוצר. גילוי זה הספיק למדענים לדווח כי בסבירות גבוהה הם איתרו חלקיק בעל מסה ותכונות המתאימות לחלקיק היגס כפי שהתיאוריה מתארת.

היווצרות של חלקיק היגס (H) והתפרקותו לשני קווארקים ולבוזון נושא כוח חלש | הדמיה: CERN, CMS
היווצרות של חלקיק היגס (H) והתפרקותו לשני קווארקים ולבוזון נושא כוח חלש | הדמיה: CERN, CMS

סבירות גבוהה

בשנים האחרונות הפנו המדענים את מרצם כדי להצליח ולאתר את חלקיק היגס גם לפי הערוץ בו הוא דועך במרבית הפעמים. כדי לעשות זאת היה עליהם להצליח ולהבדיל בין גילויים של הקווארק bottom  והאנטי קווארק שלו שמקורם בחלקיק היגס, ובין גילוי של חלקיקים כאלה ממקור אחר. המדענים ניתחו את המידע מהגלאים שנאסף בשנתיים האחרונות ובעזרת טכניקות עיבוד מידע שפותחו למטרה זו חיפשו מקרים של גילוי זוג הקווארקים בצמוד לגילוי חלקיק נוסף, בוזון מסוג W  או Z (נושא הכוח החלש). לפי התיאוריה בוזון זה נוצר עם חלקיק היגס ומכיוון שחלקיק היגס חי זמן קצר במיוחד, יצירת הבוזון מתרחשת כמעט ביחד עם דעיכת ההיגס ויצירת שני הקווארקים.

באמצעות התמקדות באירועים מסוג זה הצליחו המדענים להתעלם מרוב הרקע, ולזהות מספר רב של אירועים שמקורם כנראה בחלקיק בעל תכונות דומות לחלקיק היגס. במאמר ראשוני שפרסמה קבוצת המחקר ATLAS , שבה שותפים חוקרים ממכון ויצמן למדע, מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב, העריכו החוקרים את הסיכוי שהגילוי מגיע מסטייה סטטיסטית, ולא מחלקיק היגס, כסיכוי של כמעט אחד לשני מיליון ניסויים, וגם קבוצת המחקר הנוספת, CMS, גיבתה את הגילוי ברמת ביטחון דומה. הגילוי החדש מספק ראיה משמעותית לאחת התכונות שנעדרו מהגילוי המקורי של החלקיק - האופן שבו הוא בא במגע עם קווארקים. התכונות שנמדדו בתגלית זו עלו בקנה אחד עם תחזיות המדענים, ובשנים הבאות ינסו החוקרים לשפר את דיוק המדידה. אם לאחר השיפור הזה יתגלה הבדל בין התכונות שנמדדו לבין אלה שנחזו לפי התיאוריה, יהיה זה חלון הצצה לחוקי הטבע אשר אינם נכללים במודל הסטנדרטי ומחכים להסבר, ואולי לחלקיק הבא.