מאיץ החלקיקים ב־CERN / צילום: Reuters, Pierre Albouy
במשך שנים, לפני שהתגלה במאיץ החלקיקים הגדול בעולם על גבול שווייץ-צרפת, נהוג היה לכנות את החלקיק בוזון הנעלם "חלקיק האלוהים". מי שטבע את הכינוי הזה הוא חתן פרס נובל ליאון לידרמן, שב-1985 היה שותף לכתיבת ספר מדע פופולרי על החיפוש אחר חלקיק שלא מוצאים אותו. "הוא רצה לקרוא לספר That Goddamn Particle, אבל המו"לים אמרו לו בעדינות שאי-אפשר, והציעו לקרוא לו ‘The God Particle’", מספר פרופ’ עילם גרוס, שהיה שותף בסופו של דבר לגילוי שלו. "אני דווקא מרגיש נוח לקרוא לו חלקיק האלוהים, כי הוא נותן מאסה לכל החלקיקים".
היום חלקיק האלוהים, שחוגג עשור לגילויו, הוא ביטוי שמשתמשים בו הרבה פחות בתקשורת המדע. אולי כי קשה יותר לייחס תכונות אלוהיות למשהו שכבר יש בנמצא.
אז איך חוגגים יום הולדת לבוזון? אי-אפשר, כי חייו חולפים כהרף עין. אבל זו הזדמנות טובה לברר מה למדנו על האופן שבו פועל היקום מאז שהוא התגלה, ואילו שאלות נותרו פתוחות. אבל נתחיל בהתחלה: מה בכלל חיפשו הפיזיקאים?
משהו חסר בתיאוריה: ההשערה שחיכתה להוכחה
לבוזון היגס, שנקרא גם חלקיק ההיגס, יש תפקיד מפתח ב"מודל הסטנדרטי" של הפיזיקה, המתאר כיצד כוחות יסוד וחלקיקים תת-אטומיים יוצרים את היקום. המודל, שפותח בשנות החמישים והשישים של המאה הקודמת, הוא למעשה משוואה קצרה המגדירה את התכונות של החלקיקים בעולם הפיזי ואת האינטראקציות האפשריות ביניהם כשפועלים עליהם שלושה מארבעת הכוחות בטבע: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החזק והכוח החלש, אבל הוא הושלם רק לאחר שפרופ’ פיטר היגס ניבא את קיומו האפשרי של חלקיק הבוזון, שאחר כך נקרא על שמו.
"עד שנת 1964, המודל הסטנדרטי לא כלל את המאסה של החלקיקים", אומר פרופ’ יורם רוזן, ראש קבוצת החלקיקים בפקולטה לפיזיקה בטכניון. "המשוואה תיארה את כל התהליכים, אבל ברגע שהיו מנסים לייחס לחלקיקים מאסה, הכול היה קורס. ואז כמה תיאורטיקנים, ביניהם היגס, הראו שאם מוסיפים משהו קטן למשוואה, פתאום הכול מסתדר. אבל היגס הראה שהתוספת הזאת דורשת שיהיה בעולם עוד חלקיק. ומהרגע הזה, מציאת החלקיק החסר הפכה לגביע הקדוש של פיזיקת החלקיקים".
ההשערה, מוסיף פרופ’ ארז עציון, ראש בית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, הייתה שכמו שחלקיק עם מטען חשמלי יוצר שדה חשמלי, כך יכול להיות חלקיק אחר, שיוצר שדה שנותן מאסה לחלקיקים. "היום קוראים לו שדה היגס, ולחלקיק הזה קראנו חלקיק היגס, או ‘הבוזון על שם היגס’. התיאוריה הזאת דווקא הייתה משותפת לכמה פיזיקאים, אבל פיטר היגס הוא שזה שאמר ‘אם שדה חשמלי נוצר מחלקיק טעון, אז בואו נחפש את החלקיק".
יוצאים לחיפושים: הדרך לבניית המאיץ הענק
כדי לחפש את החלקיק החסר, נדרש לפיזיקאים מאיץ חלקיקים, המבודד מרעש חיצוני והוא בנוי כמערכת סגורה שדבר לא הולך בה לאיבוד. המאיץ גורם התנגשויות בין חלקיקים בעוצמה גבוהה מאוד, ובצפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, דומה לזו ששררה ביקום מיד אחרי היווצרותו. כתוצאה ממנה נפלטים חלקיקים שמיד דועכים. מאחר שדבר לא הולך לאיבוד במאיץ, גלאים מדויקים מאתרים את תוצרי הפירוק של החלקיקים. הפיזיקאים הסכימו ביניהם על המדידות שיופיעו במכשיר אם אכן יהיה זה חלקיק ההיגס שיתפרק, ואת התוצאות הללו הם יצאו לחפש.
המאיצים הראשונים שנבנו לא הביאו לתוצאות המיוחלות, וכך נבנו בהדרגה מאיצים גדולים יותר ויותר, המפגישים את החלקיקים בעוצמות גבוהות יותר ויותר. בין השנים 1998-2008 נבנה המאיץ הגדול בעולם במרכז המחקר CERN שבגבול שווייץ-צרפת, בעלות של 9 מיליארד דולר. במחקר שנערך בו שותפים יותר מ-10,000 חוקרים. המאיץ החל לפעול ב-2009.
שתי קבוצות ניסוי חיפשו את חלקיק ההיגס במקביל, בלי להיות מודעות זו לתוצאות של זו. אחת הקבוצות, קבוצת אטלס, כללה שלושה ישראלים בתפקידים בכירים. פרופ’ עילם גרוס ממכון ויצמן היה ראש קבוצת החיפוש של ניסוי אטלס - קבוצה של כ-600 מדענים שעסקו אך ורק בחיפוש אחר החלקיק במשך שנים. גרוס חיפש את החלקיק במשך 25 שנים מחייו, "בלי לדעת אם הוא באמת קיים, ובלי לדעת אם אני רוצה למצוא אותו ולאשש את המודל הסטנדרטי, או דווקא להראות שהוא אינו קיים, וכך נדע שאנחנו בעצם לא מבינים כלום ויש עוד המון לגלות". עציון היה חבר בצוות, ושותף של גרוס למשרד ולדירה בז’נבה.
הדדליין: ברגע האחרון, החלקיק הופיע
תאריך חשיפת התוצאות נקבע ל-4 ביולי 2012. "כמה חודשים לפני שהיינו אמורים לדווח על התוצאות, עדיין לא מצאנו את החלקיק", אומר גרוס, ואז, פתאום החלקיקים התחילו לבוא. "היינו קרובים להגיד שאין", מוסיף עציון. "אבל אז נמצאו תוצאות אחרות. כשנפתחו המעטפות, התברר ששני הצדדים הגיעו לאותה תוצאה".
גרוס ועציון מסבירים מדוע בעצם היה כל כך קשה לאתר את החלקיק החמקמק. "התיאוריה לא מנבאת מה תהיה המאסה של חלקיק ההיגס", אומר עציון, "ובסוף, כשגילינו אותו, התברר שהוא די כבד. אי אפשר היה לאתר אותו במאיצים קטנים יותר, ולכן במשך כל כך הרבה שנים הוא לא אותר".
גרוס מוסיף: "המאיץ מפגיש חלקיקים במהירויות מאוד גבוהות, וההתנגשות יוצרת אנרגיה גבוהה כמעט כמו במפץ הגדול. לא ידענו מה המאסה של החלקיק, וכדי לייצר חלקיק יותר כבד צריך יותר אנרגיה, אז כל הזמן הגדלנו את כמות האנרגיה כדי לסגור על כל המאסות האפשריות שהחלקיק יכול להימצא בהן".
גרוס מספר שאחרי גילוי החלקיק, קולגה שאל אותו אם הוא מרגיש שונה. "אמרתי לו, ‘הכול נראה יותר בפוקוס, כאילו אני רואה את האטומים בתוך העלים של העצים’. והוא אמר ‘גם אני מרגיש ככה!’. היינו באופוריה אמיתית. זה כמובן עבר אחרי זמן מה".
את פרס נובל הם לא קיבלו, וגרוס מודה שזה היה מאכזב. "אי-אפשר לתת פרס נובל ליותר משלושה אנשים והפרויקט כלל אלפי אנשים. בסופו של דבר, הוועדה נתנה את הפרס לתיאורטיקנים שחזו את החלקיק, אבל ציינה בסוף ‘בזכות הניסיונות ב-CERN שביצעו בהצלחה את החיפוש’".
השאלה הבאה: האם היקום שלנו יציב?
החלקיק נמצא, אבל זה לא סוף הסיפור. "גילינו שחלקיק אחד מייצר את המאסה, כשבמקור אי-אפשר היה לדעת בוודאות שזה רק אחד. אגב, עדיין לא ברור שזה הפתרון היחיד", אומר רוזן. "אבל בינתיים לא ראינו שום דבר מעבר לו".
פרופ’ אריק קופליק, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, מסמן את החלקיקים הבאים שמחפשים אחריהם. "המודל הסטנדרטי מנבא שחלקיק היגס יתפרק לחלקיקים כבדים בהסתברות גבוהה מכפי שהוא מתפרק לחלקיקים קלים. בינתיים ראינו את ההתפרקות שלו לחלקיקים כבדים, בשכיחות שהיא בדיוק לפי התחזית. אנחנו עדיין מחכים לראות התפרקות לחלקיקים קטנים, וכמובן הגיוני שנצטרך לחכות לכך זמן רב".
"מה שמעניין ועדיין לא פתור הוא האופן שבו חלקיק ההיגס נותן מאסה לעצמו", אומר גרוס. "תיאורטית, גורל היקום שלנו תלוי במאסה של ההיגס. האם היקום שלנו הוא יציב או שהוא יכול לקרוס פתאום כמו בלון שיצא ממנו האוויר? המדידה של המאסה של ההיגס הראתה שהיקום שלנו כנראה די יציב. אבל כדי להראות זאת בבירור, אנחנו צריכים למדוד עד כמה היגס מאט את עצמו. ובשביל זה אנחנו צריכים יותר אנרגיה ויותר התנגשויות".
חורים בתיאוריה: בכל זאת המודל לא מושלם
ההתאמה המרשימה בין התוצאות למודל הסטנדרטי מרגשת את המדענים, אבל יש גם כמה מקומות שבהם התיאוריה לא בדיוק מתאימה למציאות, והם פתח לממצאים חדשים.
גרוס: "יש עוד המון שאלות. למשל, לפי חלק מהמודלים שלנו, שינויים קטנים ביקום, ובפרט במאסת היגס, עלולים לגרום להסתברות של אירועים להיות יותר מאשר ‘תמיד’. זה, לפי ההבנה שלנו, לא אפשרי. אחת ההנחות היא שכדי למנוע מצבים של הסתברות אינסופית, יש לכל לכל חלקיק אח סופר-סימטרי עם מאסה קרובה, אבל אנחנו לא מוצאים את האחים האלה. יש פיזיקאים שאיבדו אמון בסופר-סימטריה ומחפשים תחליף. המודל הסטנדרטי בכל זאת לא מושלם".
עציון מסכים שהמודל הסטנדרטי לא סגור עד הסוף. "למשל חלקיק הניוטרינו. קיומו נובא כבר בשנות ה-30, והוא התגלה רק לפני כמה עשרות שנים, אבל המודל הסטנדרטי מנבא שהוא יהיה חסר מאסה, ובפועל ראו שכן יש לו מאסה".
רוזן מוסיף שגם לגבי חלקיק אחר, בשם W, יש פער בין המאסה שהמודל מנבא לו לבין המאסה שהתגלתה במציאות. אם תחילה חשבו שהפער הוא בטווח השגיאה, נתונים חדשים מצביעים על הבדל מובהק.
יש גם שאלות שהמודל הסטנדרטי בכלל לא מתייחס אליהן. לדוגמה, קיומו של חומר אפל. "בלעדיו הכוכבים היו בורחים מהגלקסיות ואי-אפשר להסביר בלעדיו את הקצב של סיבוב הגלקסיות סביב עצמן", אומר עציון. "אבל לא ראינו עד היום חומר אפל במעבדה. יכול להיות שנזהה חומר אפל במאיץ".
רוזן: "המודל הסטנדרטי נותן תחזיות מצוינות בתחום של האנרגיה הנמוכות, אבל לעולם של אנרגיות גבוהות אנחנו צריכים מודל חדש שאין לנו מושג מהו. כמו שהמודל של ניוטון עובד מצוין במהירויות הנמוכות, אבל מעבר לכך היה צריך את המודל של איינשטיין שמרחיב אותו".
אנחנו צריכים את האינשטיין הבא?
"אנחנו צריכים ממצאים חדשים מטווח האנרגיות הגבוהות. אנחנו מקווים לראות פיזיקה חדשה. אולי זה מעבר לפינה. אולי זה רחוק מאוד".
מאיץ חדש בדרך? "כל העולם יצטרך להשתתף"
היום במאיץ החלקיקים ב-CERN, החוקרים כל הזמן מגבירים את קצב ההתנגשויות, במטרה לייצר מיליוני היגסים, "כדי שנוכל באמת לראות התפלגויות של אירועים", כפי שאומר עציון. "אבל מעבר ליצירת עוד ועוד התנגשויות באנרגיות יותר ויותר גבוהות, אנחנו צריכים להיות גם יותר חכמים. צריך לתחכם את שיטות הגילוי של החלקיקים וגם את שיטות הניתוח, לסחוט יותר ויותר מהדאטה".
גרוס: "כל המודלים החדשים של הפיזיקה מנבאים עוד חלקיקים, שאנחנו מחפשים היום. ב-2025 נגדיל את מספר ההתנגשויות. אי אפשר כרגע להעלות את כמות האנרגיה במכשיר הנוכחי, אך יש תוכניות למכשיר חדש, שצפוי להיות כל כך יקר שכל העולם יהיה חייב להיות שותף לו".