בוזון היגס

היסטוריה

פיזיקת החלקיקים קובעת שהחומר עשוי מחלקיקים יסודיים אשר האינטראקציות ביניהם מתווכות על ידי חלקיקים נושאי כוח. בתחילת שנת 1960 התגלו באופן תאורטי מספר חלקיקים המתאימים לכך. אולם התאוריות המציעות כיצד הם קשורים זה לזה היו חסרות. אחת הסיבות לכך הייתה כי לא יכלו להסביר את מקור המסה כתכונה של החומר. משפט גולדסטון, הנוגע לסימטריות רציפה, שלל מספר הצעות לכך בחלק מהתאוריות.
מנגנון היגס הוא תהליך תאורטי בו בוזונים וקטוריים יכולים להשיג מסת מנוחה ללא שבירת תורת הכיול. ההשערה על קיום בוזון היגס הועלתה בשנת 1964 על ידי החוקרים היהודים רוברט בראוט ופרנסואה אנגלר, מהאוניברסיטה החופשית של בריסל במסגרת מנגנון היגס. בעוד שהמנגנון הוכח כמתאר היטב את המציאות, הבוזון עצמו – אבן יסוד של התאוריה – טרם נצפה בזמנם וקיומו לא אושר. גילוי החלקיק היה עשוי לאשר את נכונות המודל הסטנדרטי מכיוון שבוזון היגס היה החלקיק היסודי האחרון שנחזה על ידיו אך לא נצפה. היו שחששו שהחלקיק גם לא ימצא לעולם, ולכן הם הציעו מודלים אחרים של מנגנון היגס שאינם נזקקים לבוזון היגס - "מודלים חסרי היגס", למשל מודל הטכניקולור - כך שאם קיומו יישלל, הם יוכלו להחליפו. במודלים אשר אינם כוללים שדה היגס־בוזון או שדה היגס, אינטראקציות חזקות הן האחראיות לריק השובר את הסימטריה האלקטרו־חלשה.
ההצעה עבור מנגנון שבירת סימטריה ספונטנית הוצעה לראשונה על ידי פיליפ וורן אנדרסון ב־1964 והתפתחה באופן נפרד, כמעט בו־זמנית, על ידי שלוש קבוצות פיזיקאים: פרנסואה אנגלר ורוברט בראוט, פיטר היגס ועל ידי ג'רלד גורלניק, כ.ר הייגן וטום קיבל. מאפייני המודל יוחסו עוד בשנת 1965 לגורלניק ובשנת 1966 להיגס. מאמרים הראו כי כאשר תאוריית הכיול משולבת עם שדה נוסף אשר באופן ספונטני שובר את הסימטריה, בוזונים יכולים באופן עקבי לרכוש מסה סופית. 
בשנת 1967 סטיבן ויינברג ועבדוס סלאם ייחסו את מנגנון היגס לשבירת הסימטריה האלקטרו־חלשה. הם הראו כיצד המנגנון יכול להיות משולב בתוך התאוריה של שלדון גלשו והסימטריה האלקטרו־חלשה, ובכך הפכו את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
במאמרים שלאחר מכן הראה היגס את מנגנון הדעיכה של הבוזון. לטענתו, "רק בוזון מסיבי יכול לדעוך, והדעיכה יכולה להוכיח את המנגנון". במשפט הסיום של אחד ממאמריו כתב כי "מרכיב חיוני" של התאוריה הוא "חיזוי של כפל שלם של סקלר ווקטורי בוזון". 
בשנים 2009 ו־2011 קבע גורלניק כי במודל GHK, בוזון הוא חסר מסה רק בקירוב הנמוך ביותר בסדר, אבל טענה זו אינה כפופה לאף אילוץ והחלקיק מקבל מסה בסדר גבוה יותר. כמו כן, לדבריו מאמרו היה היחיד שהראה שאין חלקיקי ה"נאמבו־בוזוני גולדסטון" חסרי מסה במודל, וכי הוא נותן ניתוח מלא של המנגנון הכללי של היגס. 
בנוסף להסבר כיצד המסה מושגת על ידי בוזונים וקטוריים, מנגנון היגס מנבא את היחס בין בוזון W ו־Z בעלי מסה, וכן את הצימודים שלהם זה לזה, עם קווארקים ולפטונים במודל הסטנדרטי. רבות מתחזיות אלו אומתו על ידי מדידות מדויקות שבוצעו ב־LEP וב־colliders SLC, דבר המאשר כי מנגנון היגס כלשהו מתקיים בטבע, אך אינו קובע את האופן המדויק שבו זה קורה.
בוזון היגס הוא חלקיק מסיבי ועל כן הוא דועך כמעט מיד לאחר שנוצר, על כן דרוש מאיץ חלקיקים בעל אנרגיה גבוהה מאוד על מנת לצפות בו ולתעד אותו. בשנת 2010 החלו ניסויים לאישור וקביעת ערכו של בוזון היגס במאיץ החלקיקים LHC במרכז המחקר CERN. ניסויים נוספים נערכו גם במאיץ החלקיקים "טבטרון" באילינוי עד לסגירתו בסוף 2011. המודל הסטנדרטי דורש שמנגנון יצירת מסות ייראה באנרגיות של TeV‏ 1.4. על כן במאיץ שנבנה האנרגיה של הפרוטונים הנעים בצינורות מגיעה ל־TeV ‏ 7 (שבעת אלפים מיליארד אלקטרון וולט; פי 7,461 מאנרגיית המנוחה של הפרוטון).
על מנת להוכיח את קיומו של בוזון היגס יש צורך לייצר בוזון היגס ממשי (לא וירטואלי) ולגלות את תוצרי ההתפרקות שלו.
ב-4 ביולי 2012, שתי קבוצות המחקר העיקריות במאיץ החלקיקים LHC של CERN, קבוצות ATLAS ו-CMS, דיווחו בנפרד על קיום חלקיק במסה של 125 GeV/C² (מסה של 133 פרוטונים, סדר גודל של 10⁻²⁵ ק"ג), דבר המתיישב עם ערך צפוי לבוזון היגס. החוקרים ציינו שדרושה עבודה נוספת כדי לאשר שזהו אכן בוזון היגס ולא חלקיק לא-מוכר אחר בעל תכונות הדומות לתכונות תאורטיות של בוזון היגס.
ב-14 במרץ 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ החלקיקים בשווייץ כי הם משוכנעים במידה רבה שהחלקיק אותו הם גילו הוא אכן בוזון היגס. ב-8 באוקטובר הודיעה קרן נובל על הענקת פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר על גילוי החלקיק.

מאפייני התאוריה

המודל הסטנדרטי צופה את קיומו של שדה היגס אשר מאפיין את החלל. בחלל הריק יש משרעת שונה מאפס. קיומה של ציפייה למשרעת שונה מאפס שוברת באופן ספונטני את תורת הכיול והסימטריה האלקטרו־חלשה אשר בתורה מחזקת את מנגנון היגס. זהו התהליך הפשוט ביותר המאפשר לייחס מסה לבוזוני הכיול, תוך שמירה על תאוריות הכיול. אפשר לתאר את השדה כבריכת מולסה הנדבקת לחלקיקים יסודיים חסרי מסה אחרים הנעים דרכה, וממירה אותם בחלקיקים בעלי מסה היוצרים את מרכיבי האטום. נושא הכוח הצפוי של שדה זה יהיה בוזון סקלרי, המכונה "בוזון היגס".
במודל הסטנדרטי, שדה היגס מורכב משני שדות נייטרליים חשמלית, ושניים טעונים. שני הרכיבים הטעונים ואחד מהנייטרליים הם בוזוני גולדסטון, הפועלים בתחום הקיטוב השלישי ברכיבי האורך של בוזוני W ,-W+ ו־Z. הקוונטיות של הרכיב הנייטרלי הנותר מתאימה לתאוריית המאסיביות של חלקיקי בוזון היגס. מאחר ששדה היגס הוא שדה סקלרי, לבוזון היגס אין ספין ולכן גם אין לו תנע זוויתי פנימי. בנוסף, בוזון היגס הוא מעולם האנטי־חלקיקים, הוא בעל שבירת סימטריה CP זוגית והוא אף חסר מטען.
המודל הסטנדרטי אינו מנבא את המסה של בוזון היגס. אם המסה היא בין 115 לבין 180 GeV/c², אזי המודל הסטנדרטי יכול לקבל תוקף בסקאלות האנרגיה עד לסולם פלנק (1016 TeV). תאורטיקנים רבים מצפים מהפיזיקה החדשה שמעבר למודל הסטנדרטי לצאת מסקאלת ה־TeV המבוססת על מאפיינים שאינם משביעי רצון במודל הסטנדרטי. היקף המסה האפשרית לחלקיק בוזון היגס (ולכמה ממנגנוני השבירה האחרים של סימטריית הגל האלקטרו־חלש) הוא 1.4 TeV. מעבר לנקודה זו, המודל הסטנדרטי הופך להיות לא־עקבי והיחידות מופרת בתהליכי פיזור מסוימים.
בתאוריה, המסה של החלקיק בוזון היגס ניתנת להערכה באופן עקיף. במודל הסטנדרטי, לבוזון היגס יש מספר השפעות עקיפות, שרובן אובחנו. לולאות היגס תורמות תיקונים זעירים במסה של בוזוני W ו־Z. מדידות של פרמטרים בגל האלקטרו־חלש, כגון קבוע פרמי ומסות בוזוני W/Z, יכולות להוות מגבלה על מסת בוזון היגס. 
מדידות שנערכו החל מיולי 2011 לימדו כי מסת החלקיק נמוכה יותר מאשר 161 GeV/c² בדיוק של 95%. הגבול העליון גדל ל־185 GeV/c² כאשר כולל החיפוש LEP 2 ישירה מגבולו התחתון של 114.4 GeV/c². אילוצים אלה מסתמכים על ההנחה כי המודל הסטנדרטי הוא הנכון. ייתכן כי עדיין אפשר לגלות בוזון היגס מעל 185 GeV/c² אם הוא מלווה בחלקיקים אחרים מעבר לאלה שחזו המודל הסטנדרטי.
הרחבות של המודל הסטנדרטי כוללות סופר סימטריות (SUSY) הצופות את קיומן של משפחות חלקיקי בוזון היגס, בשונה מתאוריית חלקיק ההיגס הבודד של המודל הסטנדרטי. לצד תיאורית SUSY בסופר־סימטריה המינימלית המודל הסטנדרטי (MSSM), מנגנון ההיגס מניב את מספר בוזוני היגס הנמוך ביותר. יש שני צמדי היגס, המובילים לקיום חמישיית חלקיקי הסקלר. שני חלקיקים בעלי שבירת סימטריה CP זוגית, h⁰ ו־H⁰, חלקיק בעל שבירת סימטריה CP אי־זוגית A⁰, ושני חלקיקי היגס טעונים H+ ו־H-. מודלים סופר־סימטריים רבים צופים שהחלקיק הקל מבין בוזוני היגס יהיה בעל מסה בסביבת גבולות הניסוי הנוכחיות 120 GeV/c².

תכונות

פיטר היגס היה כאמור אחד משישה פיזיקאים בשנות ה־60 שכתבו מאמרים פורצי דרך בהם ניסחו את מנגנון היגס ותיארו את שדה היגס והבוזון. במסגרת המודל הסטנדרטי, בוזוני W ו־Z, הגלואונים והפוטון ההתחלתיים מתוארים כבוזוני כיול חסרי מסה, שקיומם נדרש כדי להבטיח שימור של סימטריות הכיול. מנגנון היגס מניח את קיומו של חלקיק בעל ספין 0 - בוזון היגס. חלקיק זה מקיים אינטראקציות חלשות עם חלקיקי "החומר" - הפרמיונים, שעקב האינטראקציה מקבלים מסה במודל הסטנדרטי. בניגוד לשאר חלקיקי המודל הסטנדרטי, לחלקיק זה יש ערך תצפית שונה מאפס במצב היסוד שלו. המשמעות היא שלבוזון היגס יש ערכים נמדדים שונים מאפס בריק - כלומר המרחב מלא ברקע של שדה היגס גם בריק מוחלט. האינטראקציה בין שדה הרקע של בוזון היגס לבין חלקיקי המודל הסטנדרטי שוברת את הסימטריה כך שנוצרות מסות לבוזוני הכיול W ו־Z, ובנוסף נוצרות האינטראקציות המאפשרות מסה לפרמיונים. בוזון היגס אינו משתתף באינטראקציה האלקטרו־מגנטית ולא באינטראקציה החזקה, ולכן הוא לא שובר אותן ולא משפיע על מסת הפוטון והגלואונים הנושאים כוחות אלו.

"החלקיק האלוהי"

חלקיק היגס מכונה לעיתים "החלקיק האלוהי". מקור הכינוי הוא בכותרת ספר מדע פופולרי של ליאון לדרמן על פיזיקת החלקיקים: "החלקיק האלוהי: אם היקום הוא התשובה, מה היא השאלה?" (1993). לטענת לדרמן, החלקיק קיבל את כינויו עקב היותו "מרכזי כל כך למצב הפיזיקה היום, כה חיוני להבנת מבנה החומר, אך עדיין חמקמק כל כך". בבדיחות הדעת הוסיף כי הסיבה האמיתית היא כי "המוציא לאור לא נתן לנו לקרוא לזה החלקיק הארור ("The Goddamn Particle"), על אף שזה עשוי היה להיות כותרת הולמת יותר, בהתחשב בהוצאות שהוא גורם". אף על פי שהשימוש בכינוי תרם להתעניינות תקשורתית מוגברת, מדענים רבים אינם אוהבים אותו וטוענים כי יש בכך הפרזה מטעה אשר מעצימה את חשיבותו יתר על המידה. בתחרות שמות שנערכה על ידי כתב המדע של עיתון "הגרדיאן" הבריטי נבחר השם "בוזון בקבוק השמפניה" כטוב ביותר מבין ההצעות. ההשראה לשם התקבלה מצורת גרף האנרגיה הפוטנציאלית של בוזון היגס, המזכירה תחתית בקבוק שמפניה.