בשביל מה בכלל צריך את בוזון היגס?

בתמונה חתימה אפשרית של בוזון היגס מסימולציית התנגשות של פרוטון־פרוטון

מניוטון לאיינשטיין

כל מי שלמד פיזיקה בתיכון מכיר את החוק השני של ניוטון, זה הקובע שהכוח שווה למכפלת המסה בתאוצה (F=ma).ניסוח אחר של אותו חוק הוא שהתאוצה מתקבלת מחלוקת הכוח במסה (a=F/m).

אחת ההשלכות של החוק השני (שלא מדגישים אותה בדרך כלל) היא שלא יכולים להתקיים חלקיקים חסרי מסה (m=0). אם קיים חלקיק כזה, הרי שכל כוח שיפעל עליו, לא משנה מה גודלו, יגרום לו לתאוצה אינסופית והוא ירכוש אנרגיה אינסופית בבת אחת.

עקרון גדול הוא שאין בטבע "קפיצות" (כפי שאמר לייבניץ – Natura non facit saltus). דברים לא קורים בבת אחת ואי אפשר לקבל אנרגיה אינסופית – לכן תהליך כזה לא ייתכן. באופן משלים, החוק השלישי של ניוטון, חוק הפעולה והתגובה, מבטיח שאם אי אפשר להפעיל כוח על חלקיק כלשהו הוא גם לא יכול להפעיל כוח על שום חלקיק בעולמנו.

לפי ניוטון נמצא, אפוא, שחלקיק חסר מסה יכול להתקיים בעולמנו אם ורק אם הוא לא מפעיל כוח על שום חלקיק אחר ושום חלקיק אחר לא מפעיל עליו כוח. חלקיק כזה – או כל אוסף של חלקיקים היפותטיים כאלו – הוא לא רלוונטי לפיזיקה. בעצם יכולים להתקיים עולמות שלמים העשויים מחלקיקים כאלו במקביל אלינו, באותו מקום ממש, אבל אנחנו לא נרגיש אותם והם לא ירגישו אותנו (אין שום חוק פיזיקלי שיאסור על חלקיקים חסרי מסה להפעיל אינטראקציה זה על זה, כלומר הם יכולים להרכיב כוכבים או פילים או אנשים). בכל אופן, חלקיקים כאלו הם לא רלוונטיים לפיזיקה שלנו.

בנקודה הזו, תורת היחסות הפרטית של איינשטיין סותרת את חוקי ניוטון.

תורת היחסות מרשה את קיומם של חלקיקים חסרי מסה שיכולים להפעיל כוח על חלקיקים אחרים. יש רק תנאי אחד: חלקיקים בעלי מסה אפס חייבים לנוע אך ורק במהירות האור.

המפורסם בחלקיקים אלו הוא חלקיק האור – הפוטון. לפוטון יש – עד כמה שניתן למדוד – מסה אפס, הוא נע (בהגדרה) במהירות האור, והוא בהחלט יכול להפעיל כוח: זנבם של כוכבי שביט הוא אוסף חלקיקי אבק שאור השמש דוחף אותם הלאה מן השביט, ולכן הוא פונה תמיד הלאה מן לשמש.

הבעיה עם המודל הסטנדרטי

לפני עשרות שנים, כאשר החלו הפיזיקאים לנסות ולהשליט סדר בעולמם של החלקיקים התת-אטומיים, הם הגיעו למה שמכונה "המודל הסטנדרטי" – התנ"ך של אנשי החלקיקים. מנסחי המודל גילו, לתדהמתם, שכדי שהוא יעבוד הם חייבים להניח שכול החלקיקים בו – האלקטרונים, הפרוטונים, הקווארקים – הם חסרי מסה ונעים אך ורק במהירות האור. זה גרם להם לתחושת אי נוחות קלה. מודל מתמטי כל כך נפלא, הייתכן שנזנח אותו רק מפני שאנו רואים סביבנו עצמים גסים כמו מכוניות או זבובים, המורכבים מאלקטרונים ופרוטונים ובכל זאת הם נעים במהירות שאינה מהירות האור?

את הפתרון לחידה סיפק פיזיקאי בשם פיטר היגס שבשנת 1964 הציע מנגנון המאפשר לחלקיק שהוא בעיקרון חסר מסה "לרכוש" מסה באמצעות אינטראקציה עם חלקיק אחר הידוע מאז בשם בוזון היגס. לא אלאה אתכם בפרטי המנגנון הזה, אומר רק שכדי שהמתמטיקה של המודל הסטנדרטי לא תביא לידי סתירה, הפיזיקאים היו חייבים להניח את קיומו.

לפיכך, על פי המודל הסטנדרטי כל החלקיקים בעלי המסה המוכרים לנו רוכשים את המסה שלהם דרך אותו מנגנון של אינטראקציה עם חלקיק היגס.

החלקיקים השונים במודל הסטנדרטי

"החלקיק האלוהי"

אבל אז התעוררה בעיה. אט אט הצליחו חוקרים במאיצי חלקיקים לגלות (כלומר להדגים בניסוי) את כל החלקיקים שהמודל הסטנדרטי חזה את קיומם – חוץ מאת אבן הראשה של המודל – חלקיק בוזון היגס. הכישלון הזה הטריד מאד את חוקרי הפיזיקה הניסויית שניסו נואשות לגלות את החלקיק, ושימח להפליא את חוקרי הפיזיקה התיאורטית שיכלו להמציא בנחת תיאוריות חלופיות (מודלים ללא בוזון היגס, או עם כמה כאלו באנרגיות יותר גבוהות) ולפתח עבורן משוואות נהדרות.

משנה לשנה ומניסוי לניסוי, הפך הבוזון היגס למעין יצור מיתולוגי שכולם מאמינים בקיומו אבל איש אינו מצליח לראות אותו. חתן פרס נובל לאון לדרמן, שהוציא בשנת 1993 ספר שעסק במרדף אחר הבוזון היגס, כינה אותו מסיבה זו – וגם, מן הסתם, כדי למשוך את עיניהם של הקוראים – "החלקיק האלוהי".

והנה, לאחר מאמץ של עשרות שנים, החלקיק המסתורי התגלה סוף סוף!

ב-2012 הצליחו אנשי המאיץ האירופי CERN להדגים את קיומו של הבוזון היגס בניסוי, שהיה שיא של הצלחה לפיזיקת החלקיקים הניסויית ומפח נפש לאנשי התיאוריה של חלקיקים שהיו צריכים לשגר את כל הרעיונות האלטרנטיביים שלהם לפח הניירות הקרוב. בשנת 2013, פיטר היגס זכה בפרס נובל לפיזיקה – כמעט חמישים שנה לאחר שהציע את המנגנון הקרוי על שמו.

הפיזיקאי פיטר היגס

פרופ' נדב שנרב הוא מרצה וחוקר במחלקה לפיזיקה של אוניברסיטת בר אילן