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 אנדרסון ב־1964 והתפתחה באופן נפרד, כמעט בו־זמנית, על ידי שלוש קבוצות פיזיקאים: פרנסואה אנגלר ורוברט בראוט; פיטר היגס; וג'רלד גורלניק, קרל ר. האגן 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 בוזוני 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 הערך הצפוי 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.