ראיות להיצמדות בוזון היגס למיואונים
31/08/2020
תגלית מרעישה ממאיץ החלקיקים בסרן, שוויץ: לפני מספר שבועות הוכרז כי נמצאו ראיות לתגובה בין בוזון ההיגס (שזכה לכינוי המפורסם "החלקיק האלוהי") ל״מיואונים״, חלקיקים דומים לאלקטרונים, שמסתם גדולה יותר. תגלית זו היא הפעם הראשונה מאז 2012 [3,4] בה נמדדה דעיכה של בוזון ההיגס לחלקיק חומר שאינו מהדור השלישי. לתוצאה זו חשיבות רבה, מאחר ואם מנגנון ההיגס אכן אחראי לכך שלחלקיקים יסודיים ישנה מסה, כפי שגורסת התיאוריה, חייב להיות צימוד בינו לבין חלקיקים יסודיים מכל הדורות, והוא חזק יותר ככל שהחלקיק אליו הוא נצמד כבד יותר.
הערת מערכת: "המודל הסטנדרטי" הוא שמה של תיאוריה פיזיקלית המתארת את החלקיקים המרכיבים את עולמנו ואת הכוחות הפועלים ביניהם. כדי לקבל רקע לפוסט ולהבין את חשיבות התגלית שנתאר בו, מומלץ לקרוא את הסדרה שכתבנו בעבר על החלקיקים היסודיים של הטבע [1]. בקצרה, נספר שלפי תיאוריה מורכבת זו ניתן לסווג מתמטית את החלקיקים היסודיים בטבע לפי תכונותיהן הפיזיקליות. בגן החיות של המודל הסטדנרטי ניתן למצוא חלקיקים מוכרים יותר כמו אלקטרון, פרוטון או בוזון היגס ("החלקיק האלוהי"), אך גם כאלו מוכרים פחות כמו טאואונים או מיואונים.
קיומו של בוזון ההיגס נובא על ידי פטר היגס ב- 1964 [5]. במקביל לפטר היגס, הפיסיקאים רוברט בראוט ופרנסואה אנגלרט הבלגים, הציעו את מנגנון ההיגס שמכונה היום BEH (ראשי התבות של בראוט, אנגלרט והיגס), לפיו "שבירת סמטריה ספונטנית" מאפשרת לבוזון ההיגס להיצמד לחלקיקים אחרים באופן שמקנה להם מסה. בוזון ההיגס מכונה לפיכך "מחולל המסה", וככל שצימודו לחלקיקים אחרים חזק יותר, כך מסת החלקיק גדולה יותר, בין אם מדובר בחלקיקים נושאי כח, כגון בוזון Z שמתווך את הכח הרדיואקטיבי (חלש), או בחלקיקי חומר, כגון קוורקים ואלקטרונים.
בוזון ההיגס היווה את החוליה החסרה במודל הסטנדרטי עד גילויו בשנת 2012. המודל הסטנדרטי מתאר את החומר כבנוי משלושה דורות, בכל דור ודור יש זוג קוורקים, וזוג של אלקטרון והנויטרינו הנלווה אליו. כך למשל הדור הראשון מכיל את ה-up וה-down: חלקיקים בשם קוורקים, המרכיבים את הפרוטונים והניוטרונים שבגרעין האטום, את האלקטרונים שסובבים את הגרעין ואת הנויטרינו שנלווה לאלקטרון. הדור השני הוא מעין העתק כבד יותר של הדור הראשון, כשהמיואון כבד פי 200 מאחיו האלקטרון, והדור השלישי מכיל את הקוורקים הכבדים top ו-bottom ואת חלקיק הטאו שאינו אלא גרסא כבדה פי כ-3400 של האלקטרון.
מאחר שבוזון ההיגס מחולל את המסה, צימודו לחלקיקי הדור השלישי מתחזק עם המסה הגדולה יותר שלהם. לא פלא איפה שעד היום נצפה בוזון ההיגס רק על ידי צימודו לחלקיקים מהדור השלישי, הכבד. מבחינה נסיונית, בוזון היגס הוא חלקיק רפאים, שכן הוא מתפרק מיד עם היווצרותו לצמד של חלקיקים אחרים - באמצעות מדידת התכונות של צמדי החלקיקים הללו אנחנו יכולים לשחזר את "חלקיק האב" ולהוכיח את קיומו. כך למשל צמדי פוטונים, שמסת "חלקיק האב" שלהם היתה 125 יחידות אנרגיה (GeV) אפשרו את גלוי בוזון היגס (שמסתו מן הסתם 125 יחידות אנרגיה) ב-2012. בשמונה השנים שחלפו מאז גלוי ההיגס, נצפתה בסרן התפרקותו הישירה לצמד קוורקי bottom ולצמד חלקיקי טאו (באמור שניהם מהדור השלישי).
גם אז היה ברור שעד שלא נצפה באופו ישיר בצמודו של ההיגס לקוורקים מהדור השני ולמיואון, לא יושלם גלויו הנסיוני של בוזון ההיגס. מזה כמה שנים טובות, קבוצתי, בשיתוף פעולה עם עוד עשרות פיזיקאים מניסוי אטלס, עסוקה בחיפוש אחר התפרקותו של בוזון ההיגס לקוורק הקסום (חלקיק דור שני). החיפוש מתמקד, מעבר לשיטות האנליזה המקובלות, בשיפור היעילות של זהוי הקווארק הקסום באמצעות בינה מלאכותית.
האות בגלאי, שממנו ניתן להסיק על קיום הדעיכה
העבודה נמשכת... ובינתיים, בכנס החשוב ביותר בפיזיקה של אנרגיות גבוהות (שמתמקדת בעיקר בפיזיקת מאיצים) הכריזו לאחרונה באמצעות מצגות וירטואליות (כיאה לכנס ברוח ה COVID-19) שני הניסויים המרכזיים בסרן, אטלס ו-CMS (שההבדל ביניהם הוא הגלאי עליו מבוססים תצפיותיהם) על עדויות ראשוניות לזהוי של דעיכת בוזון ההיגס לצמד מיואונים. בעוד התצפית של אטלס אינה מובהקת סטטיסטית [6], ניסוי CMS זיהה את בוזון ההיגס כ"חלקיק האב" של ההתפרקות לצמד מיואונים, במובהקות סטטיסטית של 3 סטיות תקן [7], מה שנהוג לכנות בשטח "ראייה", evidence.
למי שרוצה לקרוא יותר, נמליץ על הקישורים הבאים: איור 1 [6] מראה צמד מיואונים שנצפו באטלס, כשמסת "חלקיק האב" תואמת את מסת בוזון ההיגס (המיואונים הם המסלולים האדומים, והגלאי הוא בצורת צילינדר). ב"פקק" הימני של הגלאי נראה אחד מגלאי המיואונים (קוד צבע ירוק). גלאי זה הוא מקור הגאווה הישראלית בניסוי אטלס. זהו גלאי מיואונים שנבנה על ידי אוניברסיטת תל אביב, הטכניון ומכון ויצמן, במכון ויצמן. גלאי מיואונים זה שימש גם רכיב קריטי בגלוי ההיגס על ידי אטלס. איור 2 בקישור [7] הוא מה שנקרא ה ״money plot״ ("איפה שנמצא הכסף") של CMS - ראיה לכך שבוזון היגס מתפרק למיואונים.
תיאור גרפי של אירוע הדעיכה
בהתנגשויות של פרוטונים, צמדי מיואונים נוצרים לרוב מהתפרקות של בוזון Z, הנושא את הכח הרדיואקטיבי. כשמחשבים את "מסת האב" שלו, מקבלים מעל אלף צמדים שמסתם דומה למסת בוזון ההיגס (כ-125 יחידות אנרגיה). לא ניתן להפריד בין צמדים אלו לבין אלו שמגיעים מההיגס. השאלה היחידה שניתן לענות עליה: בהינתן הצפי של מספר הצמדים שמקורם בבוזון ה-Z בלבד (ומספרם ידוע מהמודל הסטנדרטי) מה הסיכוי שמספר הצמדים העודף שנותנים מסה דומה למסת בוזון ההיגס הוא תנודה סטטיסטית של צמדים שמקורם בבוזון ה-Z? אם הסיכוי הזה מאד קטן, סביר שמקור הצמדים הנוספים הוא בוזון ההיגס. בלוח העליון של איור 2, ניתן לראות בקו אדום את מספר הצמדים הצפוי בהינתן בוזון היגס, כפונקציה של ״מסת האב״ (מסת הצמד). בקו אדום מקווקו נתון מספר הצמדים הצפוי מבוזון Z בלבד (במידה ואין אות). הנקודות השחורות הם מספר הצמדים הנמדד בהתנגשויות, מה שקרוי ה DATA. בלוח התחתון של איור 2, אנו מפחיתים את הקו האדום המקווקו מהקו המלא, כלומר מפחיתים ממספר הצמדים הכולל את אלו שמקורם ב בוזון Z. התוצאה אמורה לתת את מספר החלקיקים שמקורם בבוזון ההיגס - אם יש כאלו. ניתן לראות שבאזור מסת-צמד של 125 יחידות אנרגיה, יש עודף צמדים (בצורה של פעמון). הסכוי שהעודף הזה, הוא תנודה סטטיסטית שמקורה בבוזון הZ הוא כ 1:1000. בתרגום לשפה סטטיסטית מדובר בשלוש סטיות תקן.
לסיכום, הראיה שנמצאה על ידי CMS להתפרקותו של בוזון ההיגס למיואונים, מהווה לראשונה מדידה ישירה של הצימוד של בוזון ההיגס לדור השני, ראיה הכרחית לאישוש בוזון ההיגס כמחולל המסה כפי שצופה המודל הסטנדרטי של כוחות וחלקיקים.
[1] המודל הסטנדרטי
[3] על גילוי ההיגס
[4] עילם גרוס ״מצאנו - אודיסיאה״ אוקטובר 2012
[5] עילם גרוס - החיפוש אחר החלקיק האלוהי - מכון ויצמן
[6] על המחקר ב"אטלס"
פרופסור לפיסיקת חלקיקים במכון ויצמן למדע. מתעסק באנליזה של התנגשויות פרוטונים בנסיון אטלס שבסרן. עמד בראש קבוצת ההיגס של אטלס בעת גילוי בוזון ההיגס. כיום מתעסק בסטטיסטיקה של מאורעות נדירים וביישומים מתקדמים של אינטליגנציה מלאכותית לפיסיקת חלקיקים.
