מאיץ ההדרונים הגדול: יתכן שהבחנו בבוזון היגס!
מאת אבי בליזובסקי
פרופ' עילם גרוס ממכון ויצמן, ראש צוות חיפוש בוזון היגס במתקן אטלס: עדיין אין ודאות שאכן מדובר בהיגס אולם העובדה ששני ניסויים הגיעו באופן עצמאי לתוצאות דומות מחזקת את הסיכוי * מדעני מכון ויצמן למדע תרמו תרומה משמעותית
בסמינר שהתקיים היום בסר"ן, הארגון המפעיל את מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) ראשי ניסויי אטלס ו-CMS אמרו כי הם ראו קפיצות בנתונים בערך באותה המסה – 124-126 גיגה אלקטרון וולט (GeV). ואולם ראשי שני הניסויים הדגישו בסמינר שנערך היום, כי המובהקות הסטטיסטית של התוצאות קטנה מדי ולא מאפשרת הכרזה פורמאלית על הגילוי, דבר שידרוש ניסויים נוספים וניתוחים נוספים.
את החיפוש אחר בוזון היגס מטעם ניסוי אטלס מרכז פרופ' עילם גרוס ממכון ויצמן, שאומר בשיחה עם אתר הידען, כי העובדה ששני ניסויים הפועלים עצמאית הגיעו לתוצאות דומות מגבירה את הסיכויים שמדובר אכן בהיגס ולא בתנודות סטטיסטיות, אך לשני הניסויים אין עוד מספיק נתונים כדי להוכיח חד משמעית את קיומו של החלקיק המעניק לשאר החלקיקים ביקום את המסה שלהם.
"אנחנו באטלס גילינו מובהקות סטטיסטית באיזור של 126 גיגה אלקטרון וולט ברמה של 3.6 סטיות תקן, מעבר למה שמצופה במידה ואין היגס. CMS רואים שיאים ב-124 וב-119 GeV, כאשר שני הפיקים הם ברמת מובהקות של 2 סטיות תקן שהיא רמה הרבה יותר נמוכה משלנו. השיא שלנו ב-126 ושלהם ב-124 יכולים לבוא מאותו חלקיק שבוחר להיראות ככה אצלנו וככה אצלם. ה-119 זה משהו חדש, בהחלט יכול להיות שה-124 וה-126 ייעלמו ויתברר שמסת ההיגס קרובה ל-119, או להפך."
"בכל מקרה את שני השיאים הללו גם 119 וגם 126 אנו סוחבים כבר מעל שנה. אחד מהם אמיתי והשני הוא כנראה פלוקטואציה סטטסטית והוא יעלם. כשנגיע לחמש סטיות תקן זה המצב הנחוץ בפיזיקת החלקיקים להכריז על גילוי. נצטרך להפעיל את המאיץ כמה חודשים טובים, אני מניח שעד הקיץ הבא נדע מה קורה אבל זה לא בטוח."
"אם אנחנו מאמינים שיש שם היגס הוא צריך להיות שם, אז אנחנו סוגרים עליו, והנה הוא מראה את עצמו ב-119 וב-126. אם אין היגס, בכלל הכל יתהפך, זה יהיה משבר גדול בפיזיקה, זה כמו מכונית שנוסעת בלי מנוע, מצליחים להגיע, להסתכל בפנים ואין מנוע. נצטרך למצוא הסבר אחר איך הטבע עובד. כולם בטוחים שהמסות באות מההיגס אבל אם זה לא?"
בהודעה לעיתונות שהוציא מכון ויצמן מצוטט גרוס: "ממצאי האטלס מרמזים על אפשרות לקיומו חלקיק בוזון היגס, שמאסתו היא 126 Gev, אך קיים סיכוי של אחד ל-5,000 כי מקור האירועים הנוספים שנצפו במאסה זו הוא בסטייה סטטיסטית, ולא בחלקיק היגס. תוצאות אלה עדיין אינן חד משמעיות, ואין בטחון כי הן יחזרו על עצמן, אך המדענים סבורים כי הן מניחות בסיס טוב לסבב הניסויים הבא במאיץ, שצפוי להתחיל באפריל 2012. "
שני הניסויים במאיץ, אטלס ו-CMS, מחפשים אחר חלקיק בוזון-היגס, אשר נחשב לחלקיק שמקנה לכל יתר החלקיקים האלמנטריים את המאסה שלהם. קיומו של חלקיק היגס נחזה על-ידי המודל הסטנדרטי של פיסיקת החלקיקים – המודל המארגן את כל החלקיקים התת-אטומיים הקיימים בטבע. עם זאת, קיומו של חלקיק ההיגס טרם הוכח באופן ניסיוני. במידה ויתגלה כי הוא אינו קיים, יהיה צורך לנסח מחדש את המודל הסטנדרטי.
פרופ' גרוס: "במאיץ החלקיקים LHC שבז'נבה התחוללו במהלך 2011 למעלה מ-300 טריליון התנגשויות פרוטונים. כל האנרגיה העצומה הזו, המסתכמת ב-7 טריליון אלקטרון-וולט, הושקעה במאמץ לייצר חלקיקי בוזון היגס. למרבה הצער, בכל התנגשות כזו נוצרים גם חלקיקים דומים רבים נוספים, ואין כל דרך לחזות מה בדיוק יתרחש בהן. הסיכויים כי בהתנגשות ייווצרו חלקיקי בוזון היגס היא כה קטנה, עד שהדבר צפוי לקרות רק כמאה התנגשויות בשנה".
חיפוש סימנים אפשריים לחלקיק נעשה באמצעות חיפוש אי-התאמות בנתונים הסטטיסטיים (בהשוואה לנתונים הצפויים להתקבל אם החלקיק אינו קיים), בתחום המאסה המשוערת של החלקיק. הבעיה היא שברגע שנתקלים באי-התאמות כאלה, יש לשלול את האפשרות כי מדובר בסטייה סטטיסטית.
לפני מספר שבועות התגלה כי במהלך 2011 הצטברו מספר אירועים בטווח המשוער של חלקיק היגס. פרופ' גרוס: "לא האמנו למראה עינינו. בהינו במסך במשך זמן ממושך, עד שהתחלנו לעכל מה אנו רואים. במהלך שלושת השבועות האחרונים, כל צוות המחקר בניסוי האטלס חזר ובדק את התוצאות, מכל זווית אפשרית. בדקנו אם טעינו, או אם היו 'באגים' בתוכנית".
מדעני מכון ויצמן למדע הם שותפים קבועים בניסוי האטלס, אחד משני הניסויים המרכזיים הנעשים במאיץ ההדרונים הגדול (LHC), במטרה לחקור את החלקיקים האלמנטריים: פרופ' גיורא מיקנברג, שעמד במשך שנים רבות בראש פרויקט האטלס-מואון, הוא ראש קבוצת המדענים הישראליים במאיץ. פרופ' אהוד דוכובני מוביל את קבוצת המדענים ממכון ויצמן למדע וראש צוות SUSY, ופרופ' עילם גרוס מרכז כיום את קבוצת הפיסיקה המחפשת אחר חלקיקי היגס בניסוי האטלס. שלושתם מדענים במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, ושותפים מאז 1987 לחיפוש אחר חלקיק היגס. כמו כן פועלים באטלס צוותים גדולים מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב, וזאת לאחר שבתחילת העשור התקבלה החלטה לרכז את כל המאמץ הישראלי בניסוי אחד כדי שהנוכחות הישראלית תהיה משמעותית.
מתוך אתר CERN: מגבלות בוזון היגס
המאמר הוכן בידי ועדת המדיניות המדעית של CENR מספקת מידע לחברי המועצה המדעית המייעצת של CERN ביולי 2011
■אף כי בדמיון הפופולארי, מטרת ה-LHC היא לגלות את בוזון היגס, המטרה של המאיץ רחבה הרבה יותר. זה מחקר מדעי בקנה המידה של TeV. חלק ניכר מהיוזמה נועד לענות על אחת מהשאלות הפתוחות החשובות בפיזיקהף מדוע בוזון W ובוזון Z והטופ קווארק הם בעלי מסות של בערך פי 100 מהפרוטון, בעוד שהפוטון הוא חסר מסה? כלומר לגלות את המנגנון השובר את סימטרית הכוח האלקטרו-חלש? גילוי של בוזון היגס קל כפי שצפוי במודל הסטנדרטי היא אחת האפשרויות של מאמצים אלו. מה אם שנמצא לבסוף אודות הבחירה של הטבע לפתור את הפאזל. ואולם הטיעון הכללי המבוסס על העקרונות הבסייסים כגון שימור ההסתברות מעלה את הבטחון כי באמצעות חיפוש בתחום ה- TeV יתן תשובה בדרך זו או אחרת.
■מידע על קיומו או אי קיומו של בוזון היגס כצפוי על פי המודל הסטנדרטי יתאפשר באחת משתי הדרכים. הדרך הראשונה היא גילוי ישיר באמצעות ייצור ודעיכה של בוזוני היגס במאיצי LEP וטבטרון הדגים כי לפי המודל הסטנדרטי הבוזון לא יכול להיות קל יותר מ-114 GeV או בין 158 ל-173 GeV. הדרך השניה היא עדויות עקיפות לקיומו של בוזון היגס החזוי על ידי המודל הסטנדרטי באמצעות התחשבות בהשפעה הצפויה של התהליך הכולל בוזוני "היגס וירטואליים" בכמות גדולה הנמדדת בדיוק ב-LEP, SLC וטבטרון. הניתוח העלה את הסבירות שלא סביר שיהיה לבוזון מסה של יותר מ-158 GeV.
■גילוי בוזון היגס לפי המודל הסטנדרטי יהיה תגלית חשובה מאוד בפני עצמה מכיוון שהוא ישמש סטנדרט זהב של מובהקות סטטיסטית יש סיכוי של פחות מאחד למיליון שכל סיגנל שנצפה יהיה תוצאה של תנודות סטטיסטיות ולא של תגלית אמיתית. ואולם המצאו של בוזון היגס בתחומים האסורים לו, ועמם גם הניסוח הנוכחי של המודל הסטנדרטי, תהיה תגלית חשובה יותר, בדיוק מאותה סיבה של מובהקות סטטיסטית.