מנגנון היגס

מנגנון היגס הוא מודל תאורטי בפיזיקת חלקיקים, המסביר את קיומה של מסת חלקיקי היסוד השונים במסגרת המודל הסטנדרטי. המנגנון מסביר את מסת הפרמיונים ואת מסת בוזוני W ו-Z בעזרת שבירת סימטריה ספונטנית של הכוח האלקטרו-חלש עקב קיומו ותכונותיו של חלקיק הנקרא בוזון היגס. החלקיק והמודל נקראים על שם הפיזיקאי הבריטי פיטר היגס, שחזה את קיומו. את המודל פיתחו בו-זמנית ובאופן בלתי-תלוי גם הפיזיקאים היהודים רוברט בראוט ופרנסואה אנגלר מבלגיה. על תגלית זאת, שאושרה בניסוי במאיץ החלקיקים ב-CERN זכו פיטר היגס ופרנסואה אנגלר בפרס נובל לפיזיקה ב-2013.

מנגנון היגס הוא דוגמה למנגנון שבירת סימטריה ספונטנית, אשר קיים גם במערכות נוספות, כמו במוליכי-על ובחומרים מגנטיים.

מנגנון היגס במודל הסטנדרטי

במסגרת המודל הסטנדרטי, בוזוני ה-W,Z, הגלואונים והפוטון ההתחלתיים מתוארים כבוזוני כיול חסרי מסה, שקיומם נדרש כדי להבטיח שימור של סימטריות הכיול:

$\ SU(3)_{C}\times SU(2)_{L}\times U(1)_{Y}$.

מנגנון היגס מניח את קיומו של חלקיק בעל ספין 0 - בוזון היגס. חלקיק זה מקיים אינטראקציות חלשות עם חלקיקי "החומר" - הפרמיונים, שעקב האינטראקציה מקבלים מסה במודל הסטנדרטי.

בניגוד לשאר חלקיקי המודל הסטנדרטי, לחלקיק זה יש ערך תצפית שונה מאפס במצב היסוד שלו. המשמעות היא שלבוזון היגס יש ערכים נמדדים שונים מאפס בריק - כלומר המרחב מלא ברקע של שדה היגס גם בריק מוחלט. האינטראקציה בין שדה הרקע של בוזון ההיגס לבין חלקיקי המודל הסטנדרטי שוברת את הסימטריה $\ SU(2)_{L}\times U(1)_{Y}$, כך שנוצרות מסות לבוזוני הכיול W ו-Z, ובנוסף נוצרות האינטראקציות המאפשרות מסה לפרמיונים. ההיגס אינו משתתף באינטראקציה האלקטרו-מגנטית ולא באינטראקציה החזקה, ולכן הוא לא שובר אותן ולא משפיע על מסת הפוטון והגלואונים הנושאים כוחות אלו.

ניתוח

גרף המציג את פוטנציאל ההיגס

פוטנציאל ההיגס מכיל איבר מהצורה λφ⁴+μφ² (כאשר φ הוא שדה ההיגס, 0<μ<0, λ) הכולל אינטראקציות בין שדה ההיגס לבין עצמו. בשלושה ממדים, נראה גרף הפוטנציאל כסומבררו בעל שוליים גבוהים (ראו תמונה) המקבל מקסימום מקומי בראשית הצירים (השקולה לריק) ומינימום גלובלי על מעגל המקיף את הראשית. באנרגיות נמוכות מאנרגיית ה-0 ההיגס לא יכול לקבל את כל הערכים סביב המרכז, והוא מתרכז באזור המינימום שאיננו בראשית, ולכן כולל ערך תצפית שונה מאפס. ניתוח של המערכת סביב המינימום מראה כי חלק מבוזוני הכיול והחלקיקים הופכים למאסיביים כתוצאה משבירת הסימטריה.

ב-4 ביולי 2012 דיווחו שתי קבוצות מחקר נפרדות במרכז המחקר ב-CERN כי צפו בחלקיק בעל מאפיינים דומים לבוזון היגס וב-14 במרץ 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ כי הם משוכנעים שהחלקיק אותו הם גילו הוא אכן בוזון היגס.