פעמי היגס: החיפוש אחר יסוד הקיום

"חלקיק האלוהים", הוא שם ספרו של חתן פרס נובל לפיסיקה, לאון לדרמן, שעוסק בחיפוש אחרי חלקיק בוזון היגס. זה החלקיק שאחראי למתן המסה של כל  החלקיקים היסודיים בטבע. מסת האלקטרון קובעת את גודל אטום המימן, ובסופו של דבר גודל האטומים מבטיח באופן פלאי את קיומנו. אולי בגלל זה מיוחסת לחלקיק היגס חשיבות כמעט מיסטית בספרות הפופולרית.

בוזון היגס הוא היחיד מבין החלקיקים היסודיים שמרכיבים את המודל הסטנדרטי של הכוחות והחלקיקים בטבע, שטרם התגלה. חשיבותו לא ניתנת לערעור. מדענים רבים סבורים שהמודל הסטנדרטי של החלקיקים והכוחות בטבע יקום ויפול על גילויו של חלקיק היגס או שלילת קיומו.

(צילום: עילם גרוס, CERN )

לפני כשלושה שבועות הוזמנתי לכנס שנקרא "Higgs Hunting" בפריז. כמעט כל מי שמתעסק בחיפוש אחרי אותו חלקיק היה שם. התארחתי אצל חברי מרומי קאדו, ובשלב מסויים אחרי ארוחת הערב המופלאה עתירת היין, מרומי הציע לי כוסית של גרפה. "אתה חייב" הוא אמר. "Prime Uve - הכי טוב שיש". כמה שעות אחרי כן, כבר לפנות בוקר, מרומי מנענע אותי ומעיר אותי מהשינה העמוקה שאפפה אותי תוך שהוא אומר לי, "עילם, רוצה לראות את ההיגס?" כמובן שקפצתי. "איפה? מה?" "המחשב גמר לרוץ, הנה התוצאה" הוא אמר. על מסך המחשב שלו הופיעה התמונה שנשלחה מסרן. כלנו היינו בהלם. יש משהו חריג במסה של 126 GeV (יחידת מסה ששקולה בקירוב למסת הפרוטון). 3.6 סטיות תקן. לא האמנו - בהינו במסך שעה ארוכה עד שהתחלנו לעכל. מאז עברנו שלושה שבועות כשכל קבוצת ההיגס בנסיון אטלס, בודקת ובוחנת או התוצאה מכל כוון אפשרי. אולי טעינו? אולי יש באג בתוכנה?

(צילום: עילם גרוס, CERN )

מאיץ החלקיקים LHC שבג'נבה הנגיש בשנת 2011 מעל 300 מיליארד פרוטונים זה בזה. כל זה באנרגיה עצומה (7 מיליארד אלקטרון-וולט) במטרה לייצר את חלקיק ההיגס. בכל התנגשות כזאת נוצרים חלקיקים אחרים ואין אפשרות לנבא מראש מה יקרה. תורת השדות הקוונטים מאפשרת לחזות את הסיכוי להיווצרותו של חלקיק מסויים. החישוב מראה שהסיכוי לקבל בהתנגשות את חלקיק ההיגס הוא כה קטן שלאורך כל השנה לא נוכל לגלות יותר מכמאה (אם מסתו 126 GeV). הבעיה שאיננו יודעים לזהותו בוודאות. הוא נראה בדיוק כמו מאות או אלפי חלקיקים אחרים שנוצרים בהתנגשויות.

(צילום: עילם גרוס, CERN )

אז איך בכל זאת נדע?

לא נדע. אבל ניתן לספור כמה חלקיקים נוצרים ודומים לחלקיק ההיגס וניתן לחשב כמה כאלו אנו מצפים לראות מהמודל הסטנדרטי בהיעדר חלקיק ההיגס. על סמך הצפי ניתן לחשב מה הסכוי שמספר ההתנגשויות שתוצאתן דומה לחלקיקי ההיגס תואמת את הצפוי מהמודל הסטנדרטי (בהיעדר חלקיק היגס). לערך המספרי של הסיכוי (ההסתברות) הזה קוראים p0.

(צילום: עילם גרוס, CERN )

במידה ואין חלקיק כזה, אנו מצפים שערכו ינוע סביב 0.5 (50%), בדיוק כפי שמטבע שאינו מזוייף נופל 50% פעמים על פן מסויים. אולם, אם יש חלקיק היגס נקבל "עודף" של התנגשויות עם תוצר דמוי היגס במסה מסויימת. גם במידה ואין היגס תיתכנה תנודות סטטיסטיות שתוצאתן תואמת את התוצאה הנסיונית. אלא שהסיכוי לתנודות כאלה הוא נמוך (כלומר p0 קטן).

ברוב המסות (בין 110 ל150 GeV) ערך הסיכוי p0 הוא בסביבות 0.5, כצפוי במידה ואין היגס. אולם בסביבות מסה של 126 GeV הסיכוי p0 הוא 0.00019, כלומר יש סיכוי של כ-1 מ-5000 ש"עודף" המאורעות במסה זו הוא תוצאה של תנודה סטטיסטית שאין מקורה בחלקיק היגס. סכוי זה גדל אם לוקחים בחשבון שלו היינו רואים "עודף" מאורעות בכל מסה אחרת, היינו מתרגשים באותה מידה. האם כל זה מעיד על קיומו של חלקיק ההיגס? כל אחד יכול לשפוט לפי טעמו מה משמעות סיכוי של שתי מאיות האחוז. התשובה לטעמי היא אולי. אולי כן, אולי לא, תלוי.

ראשית נסתכל מה התוצאה שקיבל הנסיון המתחרה של אטלס CMS .CMS, לרוע מזלינו, לא מדדו את אותן תנודות סטטיסטיות. הם מדדו שתי תנודות סטטיסטיות שאולי מעידות על חלקיק היגס; אחת במסה של 119 GeV ועוד אחת במסה של 124 GeV שתיהן ברמה פחות משמעותית של 1%. כלומר הסיכוי לקבל את התוצאה של CMS בהיעדר היגס אינו כה נמוך - אחד למאה.