האם ההיגס הוא חלקיק יסודי?
13/02/2020
ארבעה ביולי 2012 היה יום מרגש ומיוחד עבור הפיזיקאים. ביום זה הכריז המרכז האירופי לחקר הגרעין CERN בז׳נבה על גילוי חלקיק ההיגס. חלקיק ההיגס שמסתו בערך פי 133 ממסת הפרוטון, השלים את הפאזל שנקרא ה״מודל הסטנדרטי״, המודל המתאר את כל החלקיקים היסודיים המוכרים כיום. בגילוי החלקיק נטלו חלק מדענים ישראלים, בהם פרופ׳ עילם גרוס ממכון ווייצמן שעמד בראש קבוצת ההיגס של אטלס ונמנה על צוות ״מדע גדול, בקטנה״.
גילוי חלקיק ההיגס מהווה נדבך חשוב בהבנתנו את העולם המיקרוסקופי, שכן גילויו מאשש את התאוריה בגין הקניית המסה לחלקיקי היסוד. על המכניזם הזה כתבנו בעבר [1].
למרות ההצלחה הכבירה, הן בהיבט הנסיוני והן בהיבט התיאורטי, חלקיק ההיגס מעלה שאלות תאורטיות עמוקות שכרגע הינן ללא פתרון נראה לעין. השאלה המרכזית קשורה למסתו של חלקיק ההיגס.
כאשר עורכים הערכה גסה של מסת ההיגס מתברר, באופן נאיבי, שמסת החלקיק צריכה להיות פי כ־10 בחזקת 13 (עשרת אלפים מליארד) מערכו הנמדד. ייתכן ואף יותר. הערכה זאת מתבססת על עקרון בסיסי שעומד בבסיס תאוריית השדות הקוונטית שנקרא ״טבעיות״. טבעיות משמעותה הערך הנאיבי שמתקבל מהערכה גסה של שיקולי יחידות. הערך הטבעי של מסת חלקיק ההיגס צריך להיות כ־10 בחזקת 15 ג׳יגה אלקטרון וולט חלקי מהירות האור בריבוע, זאת לעומת הערך הנמדד שהוא כ־125 ג׳יגה אלקטרון וולט חלקי מהירות האור בריבוע (כך פיזיקאים של חלקיקים מציינים מסות של חלקיקים יסודיים). הפער העצום בין הערך הנמדד לבין הערך המוערך תאורטית מעמיד את התאורטיקנים במבוכה.
מספר מנגנונים הוצעו בניסיון לפתור את התעלומה. פתרון אחד נקרא ״תאורית הסופרסימטריה״, אותה סקרנו בעבר [2]. הרעיון הבסיסי בתאוריית הסופרסימטריה הוא קיומם של חלקיקים נוספים. חלקיקים נוספים אלו מקיימים פעולת גומלין ״הפוכה״ עם חלקיק ההיגס ביחס לחלקיקים הקיימים ועקב כך, בשל קיזוזים בחישוב, פוחת הערך התאורטי של מסת ההיגס והערך הטבעי עבור חלקיק ההיגס בחישוב זה מתקרב לערך הניסיוני. למרבה הצער תאוריית הסופרסימטריה לא אוששה במאיץ החלקיקים והיא נעשית פחות סבירה ככל שאוספים יותר תוצאות נסיוניות.
תאורייה נוספת שקרויה בשם המזוויע ״טכניקולור״ היא תאוריה בה חלקיק ההיגס איננו יסודי אלא מורכב מתת חלקיקים, הנקראים טכניקוורקים (בדומה לקוורקים המרכיבים את הפרוטון ואת הנויטרון). גם תאוריה זאת עשויה לפתור את בעיית מסת ההיגס בעזרת מכניזם שונה מאשר המכניזם של הסופרסימטריה. בתאוריית הטכניקולור קיים כוח חדש מאוד חזק, חזק יותר מהכוח החזק שנצפה בטבע והוא כולא את הטכניקוורקים יחדיו, בדומה לכליאת הקוורקים בעזרת הכוח החזק [3]. חלקיק ההיגס, בתאוריה הזאת, מורכב מטכניקוורקים והוא דומה בתכונותיו לחלקיק אחרים הנצפים בטבע הנקראים מזונים. כפי שהמזון מורכב מקוורק ואנטי-קוורק, על-פי תאוריית הטכניקולור חלקיק ההיגס מורכב מטכניקוורק ואנטי-טכניקוורק הכלואים תחת הכוח המאוד חזק. תכונה נוספת חשובה של חלק מהמזונים היא שהם חסרי ספין (סיבוב פנימי עצמי של חלקיקים [4]) ובכך הם דומים לחלקיק ההיגס שגם הוא חסר ספין.
עד כה לא נצפה בטבע הכוח שעומד בבסיס תאוריית הטכניקולור ובדומה לסופרסימטריה אין עדות ניסיונית לחלקיקי הטכניקולור, כלומר עד לכתיבת שורות אלו אין עדות נסיונית ממשית לכך שחלקיק ההיגס הוא מעין מזון המורכב מתתי חלקיקים.
אז האם חלקיק ההיגס הוא יסודי, אם לאו? ימים יגידו, או נכון יותר מאיצי החלקיקים יגידו.
[1] יום גילוי ההיגס
[2] סופר סימטריה
[4] ספין
פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים אלמנטריים באוניברסיטת סוונסי. בעבודתו עוסק עדי בכרומודינמיקה קוונטית ובתורת המיתרים
