כבר עשרות שנים שבוזון היגס משגע את הקהילה הפיזיקלית מסביב לעולם. מאז גילוי במאיץ החלקיקים, מתנהל מסע מרתק למציאת "פיזיקה חדשה" הקשורה בו ובצפונותיו. את אחד מהשבילים במסע הזה מובילים צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב השותפים למחקר שמטרתו חקר תהליך דעיכה נדיר שראשיתו בבוזון היגס, וסיומו בזוג חלקיקי יסוד המכונים קווארקי קסם. במסגרת המחקר, מצאו החוקרים כי ניתן לאפיין את קצב הדעיכה בצורה מדויקת ושלמה יותר ממה שהיה ידוע עד כה.
3 צפייה בגלריה
המחשה ויזואלית של אחת מן ההתנגשויות שנצפו בגלאי אטלס בעבר, והיא דוגמה לסוג התהליכים אותם אנחנו מחפשים, ולחתימה שהם משאירים בגלאים שלנו. במקרה הזה נוצר בוזון היגס, ביחד עם בוזון מסיבי נוסף הנקרא Z (נושא הכוח החלש). הקונוסים הכחולים והמלבנים הצהובים הצמודים אליהם מייצגים את זוג הקוורקים אליהם התפרק ההיגס, במקרה הזה שהם מסוג קסם. ה-Z מתפרק לשני חלקיקים הנקראים מיואונים, אותם ניתן לזהות על ידי הקווים האדומים בתמונה
(צילום: מתוך אתר CERN)
המחקר נערך בהובלת פרופ' ארז עציון והדוקטורנטים גיא קורן, הדר כהן ודוד רייכר - מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף קבוצתו של פרופ' עילם גרוס ממכון ויצמן למדע וחוקרים נוספים במאיץ החלקיקים LHC בג'נבה.
לדברי החוקרים, במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים ישנם חלקיקים המכונים בוזונים ותפקידם הוא לשמש כ"נושאי כוח": הידוע מבניהם הוא הפוטון - חלקיק שנושא את הכוח האלקטרומגנטי. בוזונים נוספים נושאים כוחות פחות מוכרים כגון הכוח החזק והכוח החלש. לפני יותר מיובל שנים העריכו הפיזיקאים פרופ׳ פיטר היגס ופרופ׳ פרנסואה אנגלר, שהחל מ-1984 מכהן כעמית סאקלר במינוי מיוחד בביה״ס לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, כי עשוי להתקיים חלקיק חדש הקשור להענקת מסה לחלקיקים יסודיים בעולמנו. רק בשנת 2012 הוכח בניסוי שהתקיים במאיץ החלקיקים LHC, שבו החוקרים מישראל הם שותפים בכירים, כי בוזון היגס הוא חלקיק אמיתי ומדיד, והוא כבד למדי ביחס לחלקיקים מוכרים אחרים. היגס ואנגלר זכו בפרס נובל בשנה שלאחר מכן.
ההכרזה על הזוכים בפרס נובל לפיזיקה ב-2013
(רויטרס)
במאיץ החלקיקים גורמים לזוגות של פרוטונים להתנגש זה בזה במהירויות עצומות. בהתנגשויות אנרגטיות שכאלו, יכולים להתרחש כל מיני תהליכים מעניינים, שמהם אנחנו יכולים ללמוד על טבעו של היקום שלנו. הדרך שבה חוקרים את התהליכים הללו היא על ידי הצבת מערך מורכב של גלאֵי חלקיקים סביב נקודת ההתנגשות, בעזרתם ניתן לשחזר את סוגי החלקיקים הנוצרים בהתנגשויות וכן את תכונותיהם.
הרבה מאוד תהליכים עשויים להתרחש בהתנגשויות הללו, ולכל תהליך יש "חתימה" אופיינית בגלאי. על מנת לדלות מאורעות נדירים ומהם להסיק תובנות חדשות על כוחות היסוד בטבע יש צורך באיסוף נתונים סטטיסטיים בכמויות גדולות (כלומר, לצפות במספר גדול מאוד של התנגשויות).
כאמור, בוזון היגס הוא חלקיק יחסית כבד, אך הוא יכול להיווצר בהתנגשויות בין פרוטונים אם אנרגיית המאיץ מספיק גבוהה. מיד לאחר שהוא נוצר הוא מתפרק לחלקיקים קלים יותר. "מעניין לחקור לאילו סוגי חלקיקים הוא מתפרק ובאיזו תדירות מתרחשת ההתפרקות לכל חלקיק וחלקיק", אומר גיא קורן. "כדי לעזור לענות על השאלה הזו הקבוצה שלנו מנסה למדוד את הקצב שבו בוזון ההיגס מתפרק לחלקיקים הנקראים קווארקים מסוג 'קסום' (charm quarks)".
קורן הוסיף: "העניין הוא, שזו לא משימה פשוטה משתי סיבות עיקריות. זהו תהליך מאוד נדיר – רק אחת למיליארדי התנגשויות ייווצר בכלל בוזון היגס, ורק כ-3% מבוזוני ההיגס שנוצרים יתפרקו לקווארקים מסוג קסום. בנוסף לכך, קיימים חמישה סוגים אחרים של קווארקים, והבעיה היא שכולם משאירים חתימה דומה בגלאים שלנו. כך שגם כשהתהליך הזה כבר באמת קורה, קשה לנו מאוד לזהות אותו".
3 צפייה בגלריה
החוקרים ברגע הגילוי: בתמונה ארז עציון (ימין למעלה) וגיא קורן (שמאל באמצע) מאוניברסיטת תל אביב ויונתן שלומי ממכון ויצמן (ימין למטה)
(צילום: מתוך אתר CERN)
מבין סך כל ההתנגשויות שנאספו במאיץ מ-2012 ועד היום, הקבוצה מאוניברסיטת תל אביב לא זיהתה עדיין מספיק התפרקויות של בוזון היגס לקווארקים מסוג קסום על מנת למדוד את הקצב של התהליך בדיוק הסטטיסטי הדרוש.
אולם, נאסף מספיק מידע על מנת לומר מהו הקצב המקסימלי של התהליך ביחס למה שהתאוריה חוזה. קצב התפרקות גדול מהקצב המנובא יהווה סמן חשוב ראשון לפיזיקה "חדשה" או הרחבה של המודל המקובל כיום, הוא המודל הסטנדרטי של חלקיקי היסוד. מהמדידה הנוכחית מסיקים החוקרים שאין סיכוי שקצב ההתפרקות של ההיגס לקווארקים מסוג קסם הוא פי 8 (או יותר) ממה שהתאוריה חוזה, אחרת היו נצפות מספיק התפרקויות כאלה כדי למדוד אותו. "זו אולי לא נשמעת הצהרה מלהיבה מדי", מצטנע קורן, "אך זוהי הפעם הראשונה שמישהו אי-פעם הצליח להגיד משהו משמעותי על קצב ההתפרקות הספציפית הזאת ממדידה ישירה שלה, ולכן בתחום שלנו זאת אמירה חשובה ומשמעותית מאוד".
מהם בכלל קווארקים? אלה הם חלקיקים מסוג מסוים בעלי תכונות דומות. הם המרכיבים בין היתר את הפרוטונים והנויטרונים שנמצאים בגרעיני האטומים של החומר. ישנם שישה סוגים שונים של קווארקים, שאותם נהוג לשייך לשלושה "דורות" שונים, כאשר כל דור מכיל זוג של קווארקים מסוג שונה. הדור הראשון מכיל את זוג הקווארקים עם המסות הקטנות ביותר, הנקראים "למעלה" ו"למטה". לדור השני שייכים הקווארקים מסוג "מוזר" ו"קסום", להם מסות גדולות יותר, והדור השלישי כולל את הקווארקים הכבדים ביותר, מסוג "עליון" ו"תחתון".
"התיאוריה חוזה שקצב ההתפרקות של בוזון היגס לחלקיקים השונים יהיה פרופורציוני למסה (בריבוע) של החלקיקים אליהם הוא מתפרק", מוסיף פרופ' עציון. "לכן, הציפייה היא שברוב המקרים הוא יתפרק לחלקיקים הכבדים יותר, ורק לעתים נדירות הוא יתפרק אל החלקיקים הקלים. בינתיים, התוצאות מהמאיץ מאשרות את הסברה הזו, כלומר, נצפו מספיק התפרקויות לקווארקים הכבדים מהדור השלישי (ולחלקיקים כבדים אחרים) על מנת לאשש את קיומן של ההתפרקויות הללו ולמדוד את הקצב שלהן, והקצב אכן מתאים למה שחוזה התיאוריה אבל בכך לא נגמר העניין, כי עדיין לא נצפו התפרקויות של היגס לקווארקים מהדור השני (או הראשון), ולכן אנחנו עדיין לא יכולים להיות בטוחים שאותם 'חוקים' תקפים לגבי הקווארקים מהדורות האלה."
פרופ' עציון הסביר גם את ההשפעות האפשריות של גילויים עתידיים בהקשר זה: "אם נגלה פתאום שבוזון ההיגס מתפרק אליהם בקצב שאינו פרופורציוני לריבוע המסה שלהם, יכולות להיות לכך השלכות מרחיקות לכת לגבי ההבנה שלנו של היקום, ובפרט לדרך בה חלקיקים אלמנטריים מקבלים את המסה שלהם. זו גם הסיבה שאנו משקיעים מאמץ כה רב לאפיין את הדעיכה של היגס לקווארק קסום, משום שהוא הקווארק הכבד ביותר שעדיין לא נמדד קצב ההתפרקות אליו".
