כיצד נמצא היגס בוסון

הערת העורך: ב- 8 באוקטובר 2013 זכו פיטר היגס ופרנסואה אנגלרט בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם בבוסון היגס. להלן, מדור טור המדע שלנו בריאן גרין מסביר את המדע שמאחורי התגלית.

מהסיפור הזה

[×] סגור

גלאי ה- ATLAS, אחד משני ניסויים לאתר את הבוסון החמקמק של היגס בהתפרצויות חלקיקים במכונית הדרדר קולידר הגדול של CERN, שוקל כמאה 747 מטוסים ובתים של יותר מ -1, 800 מייל של כבל. (קלאודיה מרסלוני / CERN) סולנואיד המואון הקומפקטי ב"הדרדר הגדול "קולט את החלקיקים במעשה. (מייקל הוכ / CERN) חזרה ללוח השרטוט: הפיזיקאי פיטר היגס משרבט את המשוואה המפורסמת שלו המתארת ​​את מקור מסה החלקיק. זה ייקח חצי מאה להוכיח אמת. (סטיוארט וואלאס / Splash News / Newscom) הצוות עובד עם גלאי ה- ATLAS, אחד משני ניסויים כדי לאתר את בוזון היגס החמקמק בפיצוצי חלקיקים. (קלאודיה מרסלוני / CERN) לפני ההתקנה, חלקים מגלאי ה- CMS התגוררו בחדר ניקיון ב- CERN. (מקסימיליין בריס, מייקל הוך, ג'וזף גובין / CERN) המגנט בגלאי CMS מייצר שדה מגנטי חזק פי 100, 000 מכדור הארץ. (Gobin / CERN) צילום מקרוב של גלאי ה- CMS - אחד משני ניסויים לגילוי חתימות של בוזון היגס. (Gobin / CERN) למרות שבוזון היגס נראה קצר מדי מכדי להתגלות ישירות, פיזיקאים ב- CMS יכולים להסיק את קיומו על ידי לימוד ממטרי החלקיקים שהושארו אחרי התנגשויות פרוטון-פרוטון. (ט. מקולי, ל. טיילור / CERN)

גלריית תמונות

תוכן קשור

• אמנות ומדע מתנגשות בגילויו של היגס בוסון

סיפור מפורסם בתולדות הפיזיקה מספר על אלברט איינשטיין בן 5, חולה במיטתו, שקיבל מצפן צעצוע מאביו. הנער תמה והופנט על ידי הכוחות הבלתי נראים בעבודה, והפנה את מחט המצפן לכיוון צפון בכל פעם שמצב המנוחה שלה הופרע. אותה חוויה, אמר איינשטיין בהמשך, שיכנע אותו שישנו סדר נסתר עמוק לטבע, והניע אותו לבלות את חייו בניסיון לחשוף אותה.

אף על פי שהסיפור בן יותר ממאה שנה, איינשטיין הצעיר הקונונדום נתקל בתהודה עם נושא מפתח בפיזיקה בת זמננו, כזה שהוא חיוני להישג הניסוי החשוב ביותר בתחום 50 השנים האחרונות: התגלית, לפני שנה ביולי השנה של בוזון היגס.

הרשה לי להסביר.

המדע בכלל והפיזיקה בפרט מחפשים דפוסים. למתוח קפיץ כפול פי כמה, ולחוש פעמיים את ההתנגדות. תבנית. הגדל את הנפח שאובייקט תופס תוך שמירה על מסתו קבועה, וככל שהוא צף במים. תבנית. על ידי התבוננות בקפידה בדפוסים, החוקרים חושפים חוקים פיזיקליים שיכולים לבוא לידי ביטוי בשפת המשוואות המתמטיות.

תבנית ברורה ניכרת גם במקרה של מצפן: הזז אותה והמחט מצביעה שוב צפונה. אני יכול לדמיין איינשטיין צעיר שחושב שחייב להיות חוק כללי הקובע כי מחטי מתכת מתלים נדחפים צפונה. אך אין חוק כזה. כאשר יש שדה מגנטי באזור, חפצים מתכתיים מסוימים חווים כוח שמיישר אותם לאורך כיוון השדה, יהיה אשר יהיה כיוון זה. והשדה המגנטי של כדור הארץ קורה במקרה צפונה.

הדוגמא היא פשוטה אך השיעור עמוק. דפוסי הטבע משקפים לפעמים שני מאפיינים שזורים זה בזה: חוקים פיזיקליים יסודיים והשפעות סביבתיות. זו גרסת הטבע לטבע לעומת טיפוח. במקרה של מצפן, התנתקותם של השניים אינה קשה. על ידי מניפולציה בעזרת מגנט, אתה מסכם בקלות כי כיוון המגנט קובע את כיוון המחט. אבל יכולים להיות סיטואציות אחרות בהן ההשפעות הסביבתיות כה מפושטות, ולכן מעבר ליכולת שלנו לתמרן, זה יהיה הרבה יותר מאתגר להכיר בהשפעתן.

פיסיקאים מספרים משל על דגים החוקרים את חוקי הפיזיקה אך כה מורגלים בעולמם המימי עד שהם לא מצליחים לשקול את השפעתו. הדגים נאבקים בעוצמה כדי להסביר את התנודדותם העדינה של צמחים כמו גם את תנועתם. החוקים שהם מוצאים בסופו של דבר הם מורכבים ובלתי עמוסים. ואז, לדג אחד מבריק יש פריצת דרך. אולי המורכבות משקפת חוקים יסודיים פשוטים שמתנהלים עצמם בסביבה מורכבת - חוקים שמלאים בנוזל צמיג, בלתי דחוס וחודר: האוקיאנוס. בהתחלה, מתעלמים מהדגים התובנים, ואפילו מגוחכים עליהם. אך אט אט, גם האחרים מבינים כי לסביבתם, על אף היכרותה, יש השפעה משמעותית על כל מה שהם רואים.

האם המשל מתקרב לבית יותר ממה שהיינו יכולים לחשוב? האם יתכנו תכונות אחרות, עדינות ועם זאת חודרות בסביבה, שעד כה לא הצלחנו להתקפל כראוי להבנתנו? גילוי חלקיק היגס על ידי קדרדר הדרון הגדול בג'נבה שכנע את הפיזיקאים שהתשובה היא כן מהדהד.

לפני כמעט מאה וחצי ניסו פיטר היגס וקומץ פיזיקאים אחרים להבין את מקורו של מאפיין פיזי בסיסי: מסה. אתה יכול לחשוב על מסה כגבול של אובייקט או, מעט יותר מדויק, כמו ההתנגדות שהיא מציעה לשינוי התנועה שלו. דחפו על רכבת משא (או נוצה) כדי להגדיל את מהירותה, וההתנגדות שאתם חשים משקפת את המסה שלה. ברמה המיקרוסקופית, מסה של רכבת המשא מגיעה מהמולקולות המרכיבות והאטומים שלה, שנבנים בעצמם מחלקיקים יסודיים, אלקטרונים וקווארקים. אבל מאיפה המוני החלקיקים היסודיים האלה ואחרים מגיעים?

כאשר פיזיקאים בשנות השישים עיצבו את ההתנהגות של חלקיקים אלה באמצעות משוואות המושרשות בפיזיקת הקוונטים, הם נתקלו בפאזל. אם הם דמיינו שהחלקיקים כולם חסרי מסה, אז כל מונח במשוואות לחץ על תבנית סימטרית לחלוטין, כמו קצות פתית שלג מושלמת. והסימטריה הזו לא הייתה רק אלגנטית מבחינה מתמטית. זה הסביר את הדפוסים הניכרים בנתוני הניסוי. אבל - והנה הפאזל - פיזיקאים ידעו שלחלקיקים אכן יש מסה, וכששינו את המשוואות כדי להסביר עובדה זו, ההרמוניה המתמטית התקלקלה. המשוואות הפכו מורכבות ובלתי ניתנות, וגרוע מכך - לא עקביות.

מה לעשות? הנה הרעיון שהעלה היגס. אל תדחף את המוני החלקיקים לאורך גרון המשוואות היפות. במקום זאת, שמרו על המשוואות וטהורות וסימטריות, אך קחו בחשבון שהן פועלות בסביבה ייחודית. תאר לעצמך שכל המרחב מלא בצורה אחידה בחומר בלתי נראה - שנקרא כיום שדה היגס - שמפעיל כוח גרירה על חלקיקים כשהם מאיצים דרכו. לחץ על חלקיק מהותי במאמץ להגביר את מהירותו, ולדברי היגס היית מרגיש בכוח הדראג הזה כהתנגדות. בצדק, היית מפרש את ההתנגדות כמסת החלקיק. למען הבוהן הנפשית, חשוב על כדור פינג-פונג שקוע במים. כשתלחצו על כדור הפינג-פונג, הוא ירגיש הרבה יותר מסיבי מאשר מחוץ למים. האינטראקציה שלה עם הסביבה המימית משפיעה על כך שהיא מספקת מסה. אז עם חלקיקים שקועים בשדה היגס.

בשנת 1964 הגיש היגס מאמר ליומן בולט בפיזיקה ובו ניסח את הרעיון הזה באופן מתמטי. העיתון נדחה. לא בגלל שהכילה שגיאה טכנית, אלא בגלל שהנחת היסוד של משהו בלתי נראה המחלחל לחלל, אינטראקציה עם חלקיקים כדי לספק את המסה שלהם, ובכן, הכל פשוט נראה כמו המון ספקולציות מבוצעות. עורכי כתב העת ראו כי "אין לו שום חשיבות ברורה לפיזיקה."

אבל היגס התמיד (והמאמר המתוקן שלו הופיע מאוחר יותר באותה שנה בכתב עת אחר), ופיזיקאים שלקחו את הזמן ללמוד את ההצעה הבינו בהדרגה שהרעיון שלו הוא שבץ גאונות, כזה שאפשר להם לקבל את העוגה שלהם ולאכול אותה גם . בתכנית של היגס, המשוואות היסודיות יכולות לשמור על צורתן הבתולית מכיוון שהעבודה המלוכלכת של אספקת המוני החלקיקים מועברת לסביבה.

אמנם לא הייתי בסביבה לחזות בדחייה הראשונית של ההצעה של היגס בשנת 1964 (טוב, הייתי בסביבה, אבל רק בקושי), אני יכול להעיד שעד אמצע שנות השמונים ההערכה השתנתה. קהילת הפיזיקה, לרוב, קנתה לחלוטין את הרעיון שיש שדה היגס המחלחל חלל. למען האמת, בקורס בוגר שלמדתי שכיסיתי את מה שמכונה המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים (משוואות הקוונטים שהתאספו הפיזיקאים כדי לתאר את חלקיקי החומר ואת הכוחות הדומיננטיים שבהם הם משפיעים זה על זה), הציג הפרופסור את היגס תחום בוודאות שכבר זמן רב לא היה לי מושג שזה טרם הוקם בניסיוני. לפעמים זה קורה בפיזיקה. משוואות מתמטיות יכולות לפעמים לספר סיפור כל כך משכנע, הן יכולות לכאורה להקרין את המציאות בצורה כה חזקה, עד שהן מתבצרות בשפה הטבעית של פיסיקאים עובדים, עוד לפני שיש נתונים לאישורם.

אבל רק עם נתונים ניתן לחבר קישור למציאות. איך נוכל לבדוק את שדה היגס? זה המקום אליו נכנס גדול הדריידר קולידר (LHC). הוא מתפתל בדרכו מאות מטרים מתחת לז'נבה, שוויץ, חוצה את הגבול הצרפתי ובחזרה, LHC היא מנהרה עגולה כמעט 17 קילומטר המשמשת מסלול מירוצים עבור לרסק יחד חלקיקי חומר. ה- LHC מוקף בכ- 9, 000 מגנטים מוליכים-על, והוא ביתם של נהרות של פרוטונים, המסתובבים סביב המנהרה לשני הכיוונים, שהמגנטים מאיצים אותם רק לבייש במהירות האור. במהירויות כאלה, הפרוטונים שוטפים סביב המנהרה כ- 11, 000 פעמים בכל שנייה, וכאשר מכוונים אותם על ידי המגנטים, מעורבים במיליוני התנגשויות כהרף עין. ההתנגשויות מייצרות בתורן תרסיסים של דמויות זיקוקים של חלקיקים, שגלאי ממותה לוכד ומתעד.

אחת המניעים העיקריים של ה- LHC, שעלתה בסדר גודל של 10 מיליארד דולר וכוללת אלפי מדענים מעשרות מדינות, הייתה לחפש אחר ראיות לשדה היגס. המתמטיקה הראתה שאם הרעיון צודק, אם אנחנו באמת שקועים באוקיאנוס של שדה היגס, אז התנגשויות החלקיקים האלימות צריכות להיות מסוגלות ללהטט את השדה, כמו ששתי צוללות מתנגשות היו מצחקקות את המים סביבן. ומדי פעם, הצחקוקים צריכים להיות ממש צודקים מכתם של השדה - טיפה זעיר של אוקיינוס ​​היגס - שיופיע כחלקיק היגס המבוקש.

החישובים הראו גם כי חלקיק היגס יהיה לא יציב, יתפרק לחלקיקים אחרים בשבריר זעיר של שנייה. בתוך סלע החלקיקים המתנגשים וענני שופע של פסולת חלקיקית, מדענים חמושים במחשבים חזקים חיפשו את טביעת האצבע של היגס - תבנית של מוצרי ריקבון המוכתבים על ידי המשוואות.

בשעות הבוקר המוקדמות של ה- 4 ביולי 2012, התכנסתי עם כעשרים סניפים נוספים בחדר ישיבות במרכז אספן לפיזיקה כדי לצפות בזרם החי של מסיבת עיתונאים במתקנים גדולים הדררון קולינדר בג'נבה. כחצי שנה לפני כן הודיעו שני צוותים של חוקרים עצמאיים שהופקדו על איסוף וניתוח נתוני ה- LHC על אינדיקציה חזקה לכך שחלקיק היגס נמצא. השמועה שעפה כעת סביב קהילת הפיזיקה הייתה שלצוותים סוף סוף היו מספיק ראיות בכדי להעלות טענה מוחלטת. יחד עם העובדה שפיטר היגס עצמו התבקש לצאת לנסיעה לז'נבה, הייתה מוטיבציה מספקת להישאר בשעה 3 לפנות בוקר כדי לשמוע את ההכרזה בשידור חי.

וככל שהגיע העולם ללמוד במהירות, הראיות לכך שחלקיק היגס התגלה היו מספיק חזקות כדי לחצות את סף הגילוי. כאשר חלקיק היגס נמצא כעת רשמית, הקהל בז'נבה פרץ למחיאות כפיים פרועות, וכך גם הקבוצה הקטנה שלנו באספן, וללא ספק עשרות התכנסויות דומות ברחבי העולם. פיטר היגס מחק דמעה.

עם שנה של מבט לאחור, ונתונים נוספים שרק שימשו להחמיר את המקרה עבור ההיגס, הנה איך הייתי מסכם את ההשלכות החשובות ביותר של התגלית.

ראשית, ידענו מזמן שיש חללים תושבים בלתי נראים. גלי רדיו וטלוויזיה. השדה המגנטי של כדור הארץ. שדות כבידה. אך אף אחד מהם אינו קבוע. אף אחד לא משתנה. איש אינו קיים באופן אחיד ברחבי היקום. בעניין זה, שדה היגס שונה באופן מהותי. אנו מאמינים כי ערכו זהה בכדור הארץ כמו ליד שבתאי, בערפיליות האוריון, בכל גלקסיית אנדרומדה ובכל מקום אחר. עד כמה שאנו יודעים, שדה היגס מוטבע באופן בלתי ניכר על הבד המרחבי.

שנית, החלקיק של היגס מייצג צורה חדשה של חומר, שהיה צפוי בהרחבה במשך עשרות שנים אך מעולם לא נראה. בתחילת המאה ה -20, הפיזיקאים הבינו שלחלקיקים, בנוסף למסתם ולמטען החשמלי שלהם, יש מאפיין שלישי המכונן: הסיבוב שלהם. אך בניגוד לראש של ילד, סיבוב החלקיקים הוא תכונה מהותית שאינה משתנה; זה לא מאיץ או מאט עם הזמן. לאלקטרונים ולקווארקים כולם ערך זהה לסיבוב, ואילו סיבוב הפוטונים - חלקיקי האור - הוא כפול מזה של האלקטרונים והקווארקים. המשוואות המתארות את החלקיק של היגס הראו כי - בשונה מכל מיני חלקיקים יסודיים אחרים - אין לו להסתובב כלל. נתונים מאת Collider Large Hadron אישרו זאת כעת.

קביעת קיומה של צורה חדשה של חומר היא הישג נדיר, אך לתוצאה יש תהודה בתחום אחר: קוסמולוגיה, המחקר המדעי כיצד החל היקום כולו והתפתח לצורה בה אנו עדים כעת. במשך שנים רבות נוצרו קוסמולוגים שלומדים את תיאוריית המפץ הגדול. הם קיבלו יחד תיאור חזק של איך היקום התפתח משבריר שנייה אחרי ההתחלה, אך הם לא הצליחו לתת שום תובנה מה הניע את המרחב להתחיל להתרחב מלכתחילה. איזה כוח יכול היה להפעיל דחיפה כל כך חזקה כלפי חוץ? על כל הצלחתה, תיאוריית המפץ הגדול השמיט את המפץ.

בשנות השמונים התגלה פיתרון אפשרי, כזה שמצלצל בפעמון היגסיאני רם. אם אזור בחלל ספוג באופן אחיד בשדה שמרכיביו החלקיקים אינם ספין, אז תורת הכובד של איינשטיין (תיאוריית היחסות הכללית) מגלה שניתן לייצר כוח דוחה רב עוצמה - מפץ, וגדול בזה. החישובים הראו שקשה לממש רעיון זה עם שדה היגס עצמו; החובה הכפולה לספק מסות חלקיקים ותדלוק המפץ מוכיחה נטל משמעותי. אך מדענים בעלי תובנה הבינו שעל ידי הצבת שדה "דמוי היגס" שני (בעל אותו סיבוב נעלם, אך מסה ואינטראקציות שונות), הם יכולים לפצל את הנטל - שדה אחד להמסה והשני לדחיפה הדוחה - ולהציע הסבר משכנע על המפץ. בגלל זה, במשך יותר משלושים שנה, פיסיקאים תיאורטיים בוחנים במרץ את התיאוריות הקוסמולוגיות בהן שדות דמויי היגס ממלאים תפקיד חיוני. אלפי מאמרים בכתבי עת נכתבו בפיתוח רעיונות אלה, ומיליארדי דולרים הושקעו על תצפיות בחלל העמוק בחיפוש אחר - ומציאת - ראיות עקיפות לכך שתיאוריות אלו מתארות במדויק את היקום שלנו. אישור ה- LHC שלפחות תחום אחד כזה קיים למעשה מכניס דור של תיאוריות קוסמולוגיות על בסיס חזק יותר.

לבסוף, ואולי החשוב ביותר, הגילוי של חלקיק היגס הוא ניצחון מדהים של כוחה של המתמטיקה לחשוף את פעולות היקום. זה סיפור ששוחזר מחדש בפיזיקה פעמים רבות, אבל כל דוגמה חדשה מרגשת אותו דבר. האפשרות לחורים שחורים עלתה מהניתוחים המתמטיים של הפיזיקאי הגרמני קארל שוורצ'ילד; תצפיות שלאחר מכן הוכיחו כי חורים שחורים הם אמיתיים. הקוסמולוגיה של המפץ הגדול נבעה מהניתוחים המתמטיים של אלכסנדר פרידמן וגם ז'ורז 'למעת; תצפיות עוקבות הוכיחו גם תובנה זו נכונה. המושג אנטי-חומר עלה לראשונה מהניתוחים המתמטיים של פיזיקאי הקוונטים פול דיראק; ניסויים שלאחר מכן הראו שגם רעיון זה צודק. דוגמאות אלה נותנות תחושה למה התכוון הפיזיקאי המתמטי הגדול יוג'ין וויגנר כאשר דיבר על "האפקטיביות הבלתי סבירה של המתמטיקה בתיאור היקום הפיזי." שדה היגס הגיח ממחקרים מתמטיים המבקשים מנגנון להעניק חלקיקים למסה. ושוב המתמטיקה הגיעה עם צבעים מעופפים.

כפיסיקאי תיאורטי בעצמי, אחד מהרבים המוקדש למצוא את מה שאינשטיין כינה "התיאוריה המאוחדת" - הקשרים הנסתרים העמוקים בין כל כוחות הטבע והחומר שעליו חלם איינשטיין, זמן רב לאחר שהתחבר לפיזיקה על ידי פעולות המצפן המסתוריות. - גילוי ההיגס משמח במיוחד. העבודה שלנו מונעת על ידי מתמטיקה, ועד כה לא יצרה קשר עם נתונים ניסויים. אנו ממתינים בדאגה לשנת 2015 כשתפעל שוב LHC משודרג ועם זאת חזק יותר, מכיוון שיש סיכוי לחימה כי הנתונים החדשים יספקו עדויות לכך שהתיאוריות שלנו הולכות בכיוון הנכון. אבני דרך עיקריות יכללו גילוי של מחלקה של חלקיקים בלתי נראים עד כה (המכונים חלקיקים "על-סימטריים") שמשוואותינו מנבאות, או רמזים לאפשרות הפראית למימדים מרחביים מעבר לשלושה שכולנו חווים. עדיין מרגש יותר יהיה הגילוי של משהו בלתי צפוי לחלוטין, ששלח את כולנו להתגנב אל הלוחות שלנו.

רבים מאיתנו מנסים לשנות את גודל ההרים המתמטיים הללו במשך 30 שנה, חלקם אפילו יותר. לעיתים הרגשנו שהתיאוריה המאוחדת נמצאת ממש מעבר לקצות אצבעותינו, בעוד שבזמנים אחרים אנו באמת מגששים בחושך. זהו דחיפה נהדרת עבור דורנו לחזות באישורם של ההיגס, לחזות בתובנות מתמטיות בנות ארבע עשורים הממומשות כקופצים ופיצוחים בגלאי LHC. זה מזכיר לנו לקחת את דבריו של חתן פרס נובל סטיבן וויינברג ללב: "הטעות שלנו היא לא שאנחנו לוקחים יותר מדי את התיאוריות שלנו, אבל אנחנו לא לוקחים אותם מספיק ברצינות. תמיד קשה להבין כי למספרים ולמשוואות האלה שאנו משחקים עם שולחנות העבודה שלנו יש קשר עם העולם האמיתי. "לפעמים, למספרים ולמשוואות האלה יש יכולת לא נעימה, כמעט מוזרה, להאיר פינות חשוכות אחרת של מציאות. כשהם עושים זאת, אנו מתקרבים הרבה יותר לתפיסת מקומנו בקוסמוס.