פרס נובל בפיסיקה לשנת 2013 הוענק לפרנסואה אנגלרט ולפיטר היגס, שחזו את קיומו של בוזון היגס – אותו חלקיק שזכה לכינוי הידוע "החלקיק האלוהי". ובלשונה של ועדת הפרס, כפי שמופיע באתר ארגון פרסי נובל:
"פרס נובל בפיסיקה לשנת 2013 מוענק ביחד לפרנסואה אנגלרט ולפיטר היגס עבור התחזית התיאורטית של מנגנון התורם להבנתנו את מקור המסה של חלקיקים תת-אטומיים, שאושר לאחרונה בניסויים שנעשו במאיץ החלקיקים ב-CERN".
הפיסיקה של חלקיקים תת-אטומיים מתוארת במודל המכונה המודל הסטנדרטי. המודל הזה חזה בדיוק מדהים את קיומם של חלקיקים רבים, ולמעשה כמעט כל אחת מתחזיותיו אומתה בניסויים. במשך תקופה ארוכה התייחסו אליו רבים כאל התורה השלמה ביותר בפיסיקה.
לפי המודל, קיימים בטבע חלקיקים יסודיים בעלי מבנה פנימי (לדוגמה פרוטון המורכב מקווארקים), וחלקיקים חסרי מבנה פנימי דוגמת האלקטרון. לפני עבודתם של היגס ואנגלרט, המודל הסטנדרטי לא היה יכול להסביר מדוע לחלקיקים חסרי מבנה הפנימי יש מסה, כפי שנמדד בניסויים (את המסה של החלקיקים בעלי המבנה הפנימי אפשר להסביר גם בלי תורך בבוזון היגס). הסתירה הזו בין הניסויים לתיאוריה היתה הבעיה הקשה ביותר שידע המודל הסטנדרטי.
אנגלרט והיגס חזו את קיומו בטבע של חלקיק נוסף שלימים כונה בוזון היגס. החלקיק הזה מקיים אינטראקציה עם כל שאר החלקיקים היסודיים, והאינטראקציה הזו מעניקה להם מסה. בעוד שעבור החלקיקים בעלי המבנה הפנימי האפקט הזה אינו משמעותי, אלא רק משנה במקצת את המסה שלהם, ההשפעה של בוזון היגס על חלקיקים חסרי מבנה פנימי היא דרמטית – האינטראקציה שלהם עם חלקיק היגס היא הדבר שמעניק להם את המסה הסופית שלהם, ובלעדיה לא היו לחלקיקים הללו מסה.
נעשו ניסיונות רבים להסביר את המנגנון הזה באופן אינטואיטיבי. אחד מהם, הפשוט ביותר לעניות דעתי, מתחיל בתיאור הבא: תארו לעצמכם משטח חלק עם שני סוגים של כדורים חלולים. הסוג הראשון הם כדורים גדולים שבתוך כל אחד מהם נמצאים כמה כדורים קטנים יותר (שניים או שלושה). הכדורים האלה מייצגים חלקיקי יסוד בעלי מבנה פנימי. אם נגלגל כדור כזה על המשטח, הכדורים הפנימיים יתנגשו זה בזה כל העת, וזה יגרום לכדור הגדול לנוע באיטיות רבה על המשטח ואפילו לשנות מדי פעם את כיוונו. התנועה האיטית שלהם מדמה בהסבר הזה את המסה שלהם.
הסוג השני של הכדורים הם כדורים חסרי מבנה פנימי, כלומר שאין כדורים בתוכם. הכדורים האלה מדמים כמובן חלקיקי יסוד לא מבנה פנימי. כאשר נגלגל כדור כזה על המשטח הוא ינוע במהירות רבה, בלי דבר שיאט אותו או יגרום לו לשנות את כיוונו. תנועה כזאת מדמה מצב שבו אין לחלקיק הזה מסה.
כעת, אם נרצה לגרום לכדורים החלולים לנוע בדומה לכדורים בעלי המבנה הפנימי, נוכל להוסיף סוג נוסף של כדורים – שלצורך העניין נקרא להם "כדורי היגס" – שיופיעו מדי פעם על המשטח ויתנגשו בכדורים החלולים. בעקבות ההתנגשויות האלה הכדורים החלולים יאטו את כיוונם או ישנו אותו, ואנו נפרש את זה כאילו לפתע פתאום יש להם מסה כמו לכדורים בעלי מבנה פנימי. כדורי היגס – קל לנחש – מדמים את חלקיק היגס.
וכך, הוספת חלקיק נוסף למודל שלנו יכולה לשנות את התנהגות החלקיקים הקיימים בו, ולגרום להם להתנהג פתאום כאילו יש להם מסה סופית. חשוב לציין שמדובר בהסבר ציורי בלבד ובלתי מדויק מתמטית, שנועד רק לצורך המחשה והבנה של המושגים.
מתיאוריה להוכחה
המסע שהחל לאחר התחזית התיאורטית הזו, במאמץ לאתר את בוזון היגס בניסוי, היה ללא ספק אחד הפרויקטים המדעיים הגדולים והמרשימים ביותר שידעה האנושות מאז ומעולם. המרדף אחרי החלקיק הפך ממאמץ מדעי שמעניין פיסיקאים בלבד לתופעה כלל-עולמית רחבה ופופולרית, שכחלק ממנה גם הוענק לחלקיק היגס הכינוי המפורסם והקליט "החלקיק האלוהי".
הגילוי הניסויי של החלקיק היה מסובך וקשה מאוד, משתי סיבות מרכזיות. בראש ובראשונה לחלקיק הזה יש מסה גבוהה מאוד, כך שעל מנת ליצור אותו באופן מבוקר בניסוי צריך לייצר כמות רבה מאוד של אנרגיה. לשם כך נבנה מאיץ החלקיקים החדש LHC, הגדול ביותר בעולם, ב-CERN שליד ז'נבה – פרויקט מדעי והנדסי מרשים בעלות של מיליארדי דולרים.
במאיץ הזה שיגרו במהירות רבה שתי קרני פרוטונים זו לעבר זו וגרמו להן להתנגש בעוצמה. בכל התנגשות נוצרו כמויות אדירות של חלקיקים תת-אטומיים שהתעופפו לכל עבר והתפרקו לחלקיקים אחרים. כאן הגיע האתגר השני: לתכנן, לבנות ולהפעיל גלאים שיצליחו בתנאים האלה לזהות חלקיקי היגס בודדים שנוצרו במהלך ההתנגשויות. למעשה, הגלאים האלה לא ידעו לזהות את קיומו של חלקיק היגס עצמו, אולם הצליחו לעקוב אחר תהליכים שבהם החלקיק התפרק לחלקיקים אחרים שאותם הצליחו הגלאים לזהות. כך נקבע לבסוף בוודאות שאכן מדובר בתוצר לוואי של התפרקות של חלקיק היגס.
אין ספק שהתחזית והגילוי של בוזון היגס, היו צעד משמעותי בהבנתנו את היקום ושל הדרך שבה הוא פועל. הם תרמו תרומה אדירה להבנה הבסיסית שלנו על מידת הדיוק של התיאוריה המקובלת ביותר המשמשת לתיאור היקום: המודל הסטנדרטי.
בעבר פורסמו באתרנו כתבות רבות בנושא זה. נפנה כאן לכמה מהן.
הבוזון של היגס – אבן היסוד של היקום?
מבזק חדשות – חלקיק חדש התגלה. סיכוי טוב שמדובר בהיגס
כל מה שרציתם לדעת על מאיץ החלקיקים
מה הקשר בין חלקיק היגס לגרביטון?
זה כמובן רק מבחר מייצג. קיימות באתר עוד כתבות רבות נוספות שתוכלו למצוא בחיפוש אחר המושגים הרלוונטיים, כגון היגס, בוזון היגס, החלקיק האלוהי וכו'.
ירון גרוס
דוקטורנט, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
