במונחים פשוטים, בוזון היגס הוא החלקיק היקר ביותר בכל הזמנים. אם, למשל, די בצינור ואקום ובכמה מוחות מבריקים כדי לגלות את האלקטרון, החיפוש אחר בוזון ההיגס הצריך יצירת אנרגיה ניסיונית, שנמצאת רק לעתים רחוקות על פני כדור הארץ. מאיץ ההדרונים הגדול אינו זקוק להקדמה, בהיותו אחד הניסויים המדעיים המפורסמים והמצליחים ביותר, אך חלקיק הפרופיל שלו, כמו קודם, אפוף מסתורין עבור רוב האוכלוסייה. הוא נקרא חלקיק אלוהים, אולם הודות למאמצים של אלפי מדענים, פשוטו כמשמעו, איננו צריכים עוד לקבל את קיומו מתוך אמונה.
לא ידוע אחרון
מהו בוזון היגס ומהי חשיבות גילויו? מדוע זה הפך לנושא של כל כך הרבה הייפ, מימון ומידע מוטעה? משתי סיבות. ראשית, זה היה החלקיק האחרון שלא התגלה שנדרש כדי לאשר את המודל הסטנדרטי של הפיזיקה. הגילוי שלה גרם לכך שדור שלם של פרסומים מדעיים לא היה לשווא. שנית, הבוזון הזה נותן לחלקיקים אחרים את המסה שלהם, מה שנותן לו משמעות מיוחדת וקצת "קסם". אנחנו נוטים לחשוב עלמסה כמאפיין מהותי של דברים, אבל פיזיקאים חושבים אחרת. במילים פשוטות, בוזון היגס הוא חלקיק שבלעדיו המסה אינה קיימת באופן עקרוני.
עוד שדה אחד
הסיבה נעוצה במה שנקרא שדה היגס. הוא תואר עוד לפני הבוזון של היגס, משום שהפיזיקאים חישבו אותו לצורכי התיאוריות והתצפיות שלהם, שדרשו נוכחות של שדה חדש, שפעולתו תתרחב לכל היקום. חיזוק השערות על ידי המצאת מרכיבים חדשים של היקום הוא מסוכן. בעבר, למשל, זה הוביל ליצירת תורת האתר. אבל ככל שנעשו יותר חישובים מתמטיים, כך הפיזיקאים הבינו ששדה היגס חייב להתקיים במציאות. הבעיה היחידה הייתה היעדר אמצעים מעשיים להתבוננות בו.
במודל הסטנדרטי של הפיזיקה, חלקיקים אלמנטריים צוברים מסה באמצעות מנגנון המבוסס על קיומו של שדה היגס החודר לכל החלל. זה יוצר בוזונים של היגס, שדורשים הרבה אנרגיה, וזו הסיבה העיקרית לכך שמדענים צריכים מאיצי חלקיקים מודרניים כדי לבצע ניסויים באנרגיה גבוהה.
מאיפה מגיעה המסה?
חוזקן של אינטראקציות גרעיניות חלשות יורד במהירות עם הגדלת המרחק. לפי תורת השדות הקוונטיים, זה אומר שהחלקיקים המעורבים ביצירתו - בוזונים W ו-Z - חייבים להיות בעלי מסה, בניגוד לגלואונים ופוטונים, שאין להם מסה.
הבעיה היא שתיאוריות מד עוסקות רק באלמנטים חסרי מסה. אם לבוזוני המדד יש מסה, אז לא ניתן להגדיר השערה כזו באופן סביר. מנגנון היגס נמנע מבעיה זו על ידי הכנסת שדה חדש שנקרא שדה היגס. באנרגיות גבוהות, לבוזוני מד אין מסה, וההשערה פועלת כצפוי. באנרגיות נמוכות, השדה גורם לשבירת סימטריה המאפשרת לאלמנטים להיות בעלי מסה.
מהו הבוזון של היגס?
שדה היגס מייצר חלקיקים הנקראים בוזונים של היגס. המסה שלהם אינה מוגדרת בתיאוריה, אך כתוצאה מהניסוי, נקבע שהיא שווה ל-125 GeV. במילים פשוטות, בוזון היגס אישר באופן סופי את המודל הסטנדרטי עם קיומו.
מנגנון, שדה ובוזון נושאים את שמו של המדען הסקוטי פיטר היגס. אמנם הוא לא היה הראשון שהציע את המושגים האלה, אבל, כפי שקורה לעתים קרובות בפיזיקה, הוא פשוט היה זה שעל שמו הם נקראו.
סימטריה שבורה
שדה היגס נחשב כאחראי לעובדה שחלקיקים שלא צריכים להיות בעלי מסה היו אחראים. זהו תווך אוניברסלי המעניק לחלקיקים חסרי מסה מסות שונות. הפרה כזו של סימטריה מוסברת באנלוגיה לאור - כל אורכי הגל נעים בוואקום באותה מהירות, בעוד שבפריזמה ניתן להבחין בכל אורך גל. זו כמובן אנלוגיה לא נכונה, שכן אור לבן מכיל את כל אורכי הגל, אבל הדוגמה מראה כיצדנראה כי יצירת המסה על ידי שדה היגס נובעת משבירת הסימטריה. פריזמה שוברת את הסימטריה של המהירות של אורכי גל שונים של אור על ידי הפרדתם, ושדה היגס נחשב לשבור את הסימטריה של המסות של חלקיקים מסוימים שהם חסרי מסה באופן סימטרי.
איך להסביר את הבוזון של היגס במילים פשוטות? רק לאחרונה הבינו פיזיקאים שאם שדה היגס באמת קיים, פעולתו תדרוש נוכחות של נשא מתאים בעל תכונות שבגללן ניתן יהיה לצפות בו. ההנחה הייתה שחלקיק זה שייך לבוזונים. במילים פשוטות, בוזון היגס הוא מה שנקרא כוח נושא, זהה לפוטונים, שהם נשאים של השדה האלקטרומגנטי של היקום. פוטונים, במובן מסוים, הם העירורים המקומיים שלו, בדיוק כפי שבוזון היגס הוא עירור מקומי של השדה שלו. הוכחת קיומו של חלקיק בעל התכונות שציפו לפיזיקאים הייתה, למעשה, בגדר הוכחה ישירה של קיומו של שדה.
ניסוי
שנים רבות של תכנון אפשרו למאיץ ההדרונים הגדול (LHC) להפוך עדות להכחשה אפשרית של תיאוריית הבוזון של היגס. טבעת של 27 ק מ של אלקטרומגנטים סופר חזקים יכולה להאיץ חלקיקים טעונים לשברים משמעותיים ממהירות האור, ולגרום להתנגשויות חזקות מספיק כדי להפריד אותם למרכיביהם, כמו גם לעוות את החלל סביב נקודת הפגיעה. לפי חישובים, באנרגיית התנגשות ברמה מספיק גבוהה, אפשר להטעין בוזון כך שהוא מתפרק, וזה יכול להיותיצפה. האנרגיה הזו הייתה כל כך גדולה עד שחלקם אפילו נבהלו וחזו את סוף העולם, והפנטזיה של אחרים הרחיקה לכת עד שגילוי הבוזון של היגס תואר כהזדמנות להסתכל לתוך מימד חלופי.
אישור סופי
תצפיות ראשוניות נראה למעשה להפריך את התחזיות, ולא ניתן היה למצוא סימן לחלקיק. כמה מהחוקרים המעורבים בקמפיין להוציא מיליארדי דולרים אפילו הופיעו בטלוויזיה והצהירו בענווה שהפרכת תיאוריה מדעית חשובה לא פחות מאשר אישורה. אולם לאחר זמן מה, המדידות החלו להצטבר לתמונה הגדולה, וב-14 במרץ 2013 הודיעה CERN רשמית על אישור קיומו של החלקיק. יש עדויות המצביעות על קיומם של בוזונים מרובים, אבל הרעיון הזה דורש מחקר נוסף.
שנתיים לאחר ש-CERN הכריזה על גילוי החלקיק, מדענים שעבדו במאיץ ההדרונים הגדול הצליחו לאשר זאת. מצד אחד, זה היה ניצחון עצום למדע, ומצד שני, מדענים רבים התאכזבו. אם מישהו קיווה שהבוזון של היגס יהיה החלקיק שיוביל לאזורים מוזרים ונפלאים מעבר למודל הסטנדרטי - סופרסימטריה, חומר אפל, אנרגיה אפלה - אז, למרבה הצער, התברר שזה לא המקרה.
מחקר שפורסם ב-Nature Physics אישר את ההתפרקות לפרמיונים. המודל הסטנדרטי חוזה שבמונחים פשוטים, הבוזוןההיגס הוא החלקיק שנותן לפרמיונים את המסה שלהם. הגלאי של מתנגש CMS אישר לבסוף את התפרקותם לפרמיונים - קווארקים ולפטונים טאו.
בוזון היגס במילים פשוטות: מה זה?
מחקר זה אישר סוף סוף שזהו הבוזון של היגס שנחזה על ידי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. הוא ממוקם באזור האנרגיה המסה של 125 GeV, אין לו ספין, והוא יכול להתפרק ליסודות קלים רבים יותר - זוגות של פוטונים, פרמיונים וכו'. הודות לכך, אנו יכולים לומר בביטחון שהבוזון של היגס, במילים פשוטות, הוא חלקיק שנותן מסה לכל דבר.
מאוכזב מהתנהגות ברירת המחדל של רכיב שנפתח לאחרונה. אם הריקבון שלו היה שונה אפילו במקצת, הוא היה קשור לפרמיונים בצורה שונה, ואפיקי מחקר חדשים היו צצים. מצד שני, זה אומר שלא עברנו אף צעד מעבר למודל הסטנדרטי, שאינו לוקח בחשבון כוח משיכה, אנרגיה אפלה, חומר אפל ושאר תופעות מוזרות של המציאות.
עכשיו אפשר רק לנחש מה גרם להם. התיאוריה הפופולרית ביותר היא סופרסימטריה, הקובעת שלכל חלקיק במודל הסטנדרטי יש שותף-על כבד להפליא (ובכך מהווה 23% מהיקום - חומר אפל). שדרוג המתנגש, הכפלת אנרגיית ההתנגשות שלו ל-13 TeV, יאפשר ככל הנראה לזהות את חלקיקי העל הללו. אחרת, העל-סימטריה תצטרך לחכות לבניית יורש חזק יותר ל-LHC.
סיכויים פוטנציאליים נוספים
אז איך תיראה הפיזיקה אחרי הבוזון של היגס? ה-LHC חידש לאחרונה את עבודתו עם שיפורים משמעותיים והוא מסוגל לראות הכל מאנטי-חומר ועד אנרגיה אפלה. מאמינים שחומר אפל מקיים אינטראקציה עם חומר רגיל אך ורק באמצעות כוח הכבידה ודרך יצירת מסה, והמשמעות של בוזון היגס היא המפתח להבנה בדיוק כיצד זה קורה. החיסרון העיקרי של המודל הסטנדרטי הוא שהוא לא יכול להסביר את השפעות הכבידה - מודל כזה יכול להיקרא התיאוריה המאוחדת הגדולה - ויש הסבורים שהחלקיק ושדה ההיגס יכולים להיות הגשר שהפיזיקאים כל כך נואשים למצוא.
קיומו של בוזון היגס אושר, אך הבנתו המלאה עדיין רחוקה מאוד. האם ניסויים עתידיים יפריכו את העל-סימטריה ואת הרעיון של פירוקה לחומר אפל עצמו? או האם הם יאשרו כל פרט אחרון בתחזיות של המודל הסטנדרטי לגבי המאפיינים של בוזון היגס ויסיימו את תחום המחקר הזה לנצח?
