כיצד משפיע בוזון היגס על תורת המיתרים?

הפיזיקאי מאוניברסיטת מישיגן גורדון קיין מציע את ההסבר הבא:

במהלך העשורים האחרונים, מדענים פיתחו תיאור מוצלח ובדוק של עולמנו הפיזי, המכונה המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. הוא משלב את הכוחות החזקים, החלשים והאלקטרומגנטיים לתמונה קוהרנטית ומתאר את כל הניסויים הרלוונטיים. אך מבחן אחד טרם הושלם: לצורך עקביות, וכדי להסביר את המוני של החלקיקים, התיאוריה מחייבת קיומו של שדה חדש בשם שדה היגס, אשר מקביל לשדה האלקטרומגנטי המוכר אך עם סוגים חדשים של תכונות. בדיוק כאשר אנו לומדים על שדות אלקטרומגנטיים על ידי גילוי הקוונטים שלהם, חלקיקים הנקראים פוטונים, אנו מקווים ללמוד על שדה ההיגס על ידי גילוי הקוונטים שלו, הנקראים בוזונים היגס.

אם יתגלה בוזון היגס (על שמו של הפיזיקאי הבריטי פיטר היגס), זה היה למעשה אחד התגליות הניסיוניות החשובות בכל הזמנים, בעיקר בגלל התפקיד הייחודי שממלאת הפיזיקה של היגס. מצד אחד הוא משלים את המודל הסטנדרטי, וקושר את התיאור המוצלח של העולם הפיזיקלי המיקרוסקופי, אותו ביקשו מדענים להבין במשך מאות רבות. תיאור זה מספר לנו כיצד פועל העולם הפיזי. יחד עם זאת, הצורה של פיזיקה של היגס מצביעה על האופן בו ניתן לחזק ולהרחיב את המודל הסטנדרטי כדי לתאר לא רק כיצד העולם עובד אלא מדוע הוא פועל כך. בוזון היגס חשוב מכיוון שהוא המעבר למה. בוזון היגס הוא גם סוג חדש של חומר, הראשון מזה מאה.

<רוחב השולחן = 200 מעבדת מעצבים לאומית FERMI קוליטר פרוטון של TEVATRON במעבדת המאיצים הלאומית פרמי בבטביה, אילינוי, תחל לחפש את בוזון היגס החמקמק במרץ 2001.

כרגע קיימות שתי ראיות לכך שקיים בוזון של היגס. הראשון הוא עקיף. על פי תורת השדות הקוונטיים, כל החלקיקים מבלים מעט זמן כשילובים של כל החלקיקים האחרים, כולל בוזון היגס. זה משנה את המאפיינים שלהם מעט בדרכים שאנחנו יודעים לחשב ושאומתו היטב. מחקרים על ההשפעה שיש לבוזון ההיגס על חלקיקים אחרים מגלים כי הניסוי והתיאוריה הם עקביים רק אם בוזון ההיגס קיים והוא קל יותר מכ -170 וולט אלקטרונים של גיגה (GeV), או כ -180 מסות פרוטון. מכיוון שזו תוצאה עקיפה, אין זו הוכחה קפדנית. כמה תרומות לא ידועות יכולות, באופן עקרוני, לחקות את מראה ההיגס. זה, לעומת זאת, מאוד לא סביר. עדויות קונקרטיות יותר להיגס הגיעו מניסוי שנערך במעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים (CERN) תוך שימוש במתנגד האלקטרונים הגדול (LEP) בימי פעילותו האחרונים. מחקר זה גילה איתות ישיר אפשרי של בוזון היגס עם מסה של כ- 115 GeV וכל התכונות הצפויות. יחד אלה הופכים למאוד משכנע, אם כי עדיין לא סופי, כי בוזון היגס אכן קיים.

כעת, בהנחה שבוזון היגס אכן התגלה, בואו נפנה להשלכות ליצירת תיאוריה בסיסית יותר של פיזיקת החלקיקים. אני מתייחס לתיאוריה בסיסית זו כאל תורת המיתרים מבלי להבחין בצורות שונות. תורת המיתרים מנוסחת בעשרה ממדים ויש לה מאפיינים אחרים שאינם מתקיימים בעולמנו. אין בו תחזיות או הסברים מפורשים או ניתנים לבדיקה, ואין לו קשר ישיר לבוזונים של היגס. לפני שקשרים כאלה יכולים לקרות, נצטרך ללמוד כיצד עולמנו האמיתי יכול לצאת מתורת המימד הגבוהה יותר וכיצד הכוחות החזקים, החלשים והאלקטרומגנטיים והקווארקים והלפטונים עולים מתורת המיתרים.

ובכל זאת, ידוע מספיק על תורת המיתרים שיש כמה קשרים מרמזים לעולמנו. והכי חשוב, נראה שתורת המיתרים דורשת מהעולם שלנו מאפיין שנקרא על-סימטריה. ולמודל סטנדרטי על-סימטרי עם תנאי גבול של תורת המיתרים יש בוזונים של היגס ומסביר את תכונותיהם. בעוד שלא ניתן לחשב את מסת הבוזון של היגס במודל הסטנדרטי, במודל הסטנדרטי הסופר-סימטרי ניתן לחשב את המסה בערך ל- 9040 GeV, טווח המכיל את הערך שהתגלה ככל הנראה.

מציאת בוזון היגס תומכת אפוא מאוד במודל הסטנדרטי העל-סימטרי, אשר בתורו תומך ברעיון כי תורת המיתרים היא אכן הגישה הנכונה לטבע. אם כן, סביר מאוד להניח כי אישור נוסף לקיומו של בוזון היגס יתגלה בשנים הקרובות במעבדה המאיצת הלאומית פרמי, שם תחל איסוף הנתונים במרץ 2001.