על פי התאוריה המקובלת כיום בכל מקום ביקום קיים אובייקט פיזיקלי הנושא אנרגיה המכונה ״שדה ההיגס״. הוא מהווה את המקור למסות החלקיקים האלמנטריים, כגון האלקטרון והקוורקים. בפוסט זה נדון בשדה זה, כיצד הוא נוצר וכן מה הקשר בינו לבין חלקיק ההיגס שהתגלה לפני שבע שנים?

חם ביולי בישראל ולא מעטים מאיתנו מבלים בים, לכן לא יהיה קשה לכם לדמיין את עצמכם שוחים בים. הקושי להתקדם בשחייה בים נובע מפעולת הגומלין בין הגוף שלכם למים. כיצד כל זה קשור לשדה ההיגס, למסות החלקיקים היסודיים ביקום ולחלקיק ההיגס?

מונח יסודי בפיזיקה הוא ״שדה״. את השדה אפשר לדמות לים. כפי שהמים המרכיבים את הים הינם תווך עצום בו אנו שוחים, השדה הוא מעין תווך הנמצא בכל מקום ביקום בו נעים חלקיקים. קיימים שדות מסוגים שונים ובפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים אנחנו מייחסים שדה לכל חלקיק: קיים שדה לאלקטרון, לפוטון, לקוורק ולהיגס. על אף הדמיון למושג האתר [1], שדה ההיגס בו נדון שונה לחלוטין מהאתר הבדיוני.

באנלוגיה בה השדה הוא הים, החלקיקים היסודיים בטבע הם גלים בים. דמיינו לרגע ים רגוע וחלק. הגל הנישא על פני הים הוא כמו חלקיק הנוצר על פני שדה פיזיקלי. האלקטרון, למשל, הוא תנודה, או הפרעה, על גבי שדה האלקטרון. חלקיק ההיגס הוא תנודה מעל שדה ההיגס.

שדה ההיגס הוא שדה מיוחד. גם בריק מוחלט, גם בהיעדר כל חומר, הוא מתקיים ביקום בכל נקודה ונקודה ואף נושא אנרגיה (אנרגיה זו תורמת, בחלקה, לאנרגיית הריק עליה כתבנו בעבר [2]). 

כאשר חלקיקים כגון האלקטרון והקוורקים נעים בתוך שדה ההיגס הם מקיימים עימו פעולת גומלין כפי שמקיים שחיין עם הים. פעולת הגומלין הזאת יוצרת את מסת החלקיקים היסודיים. לולא שדה ההיגס היו כל החלקיקים חסרי מסה. הפוטון וכן חלקיקים אחרים (הנקראים גלואונים) אינם מקיימים פעולת גומלין עם שדה ההיגס ולכן הם נשארים חסרי מסה.

הסיבה לקיומו של שדה היגס בעל ערך שאיננו אפסי מכונה בעגה המקצועית ״שבירה של סימטריה״. המיוחד בשדה ההיגס, לעומת שדות אחרים (למשל שדה הפוטון, או שדה האלקטרון), זה שגם בריק המוחלט הוא איננו מתאפס. בעבור פיתוח התאוריה שעומדת מאחורי הדינמיקה של שדה ההיגס זכו פרנסואה אנגלרט הבלגי ופטר היגס הבריטי בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 [3].

את שדה ההיגס קשה למדוד באופן ישיר שכן מה שנגיש לנו אלו החלקיקים, לא השדות. לפני שבע שנים, בארבעה ביולי 2012, הכריז המרכז האירופי לחקר הגרעין CERN בז׳נבה על גילוי החלקיק שמסתו כ-125 ג׳יגה אלקטרון וולט, כלומר בערך פי 133 ממסת הפרוטון.  גילוי החלקיק נעשה על-ידי בחינה מדוקדקת של התנגשויות בין פרוטונים. הפרוטונים מורכבים מקוורקים וכן מחלקיקים נוספים הנקראים גלואונים. אותם הגלואונים יכולים להפוך לקוורקים שהופכים לחלקיק היגס. מייד אחר-כך ההיגס דועך לחלקיקים אחרים שבהם ניתן להבחין בגלאי. ניתן לחשב מהי התרומה של התהליך המורכב הזה בהתנגשות בין פרוטונים ולהשוות בין התאוריה לניסיון. לולא התרומה של חלקיק ההיגס החשבון לא מסתדר. בצוות המדענים היתה נוכחות ישראלית מרשימה ובחזית קבוצת אטלס שהיתה שותפה לגילוי עמד פרופ׳ עילם גרוס ממכון וויצמן למדע [4].

שדה ההיגס נושא בחובו מסתורין מסויים, שכן תאורטיקנים חושדים שקיימת תאוריה בסיסית יותר העומדת מאחוריו. בפרט, תאוריה מסויימת גורסת שחלקיק ההיגס איננו יסודי אלא מורכב מחלקיקים אחרים יסודיים יותר. 

ניסויים עתידיים ישפכו בוודאי אור על סוגיה זו.

[1] על האתר

[2] הקבוע הקוסמולוגי

[3] קישור לדף פרס הנובל לשנת 2013

[4] כתבה של מכון וייצמן על ההיגס