יום שלישי, 10 ביולי 2012

The Mess about Mass - חלק ראשון


הרשת מלאה בסרטונים ומאמרים פופולרים המתיימרים להסביר את הקונספט של ההיגס להדיוטות. לעניות דעתי רובם (כמעט) ככולם נכשלים במשימה ונזקו של כל כישלון כזה רב (נימוקים בהמשך). למרבה הצער, הביקורת הפדגוגית שאציג כאן אינה פוסחת גם על הסרטונים הרשמיים ששוחררו על יד CERN. גם אני נתפתתי לשבץ סרטון כזה ברשימתי הקודמת על סאגת ההיגס, ובכך תרמתי את תרומתי הצנועה להולכת שולל... בסדרה של שתי שלוש רשימות אנסה כמיטב יכולתי להכניס קצת סדר בדברים ולהסביר היכן לדעתי יש בעיה באנלוגיות שכה מרבים להשתמש בהם.

ובכל זאת, סרטון אחד מוצלח למדי ומושקע מאוד יש. הסרטון מסביר באופן נאה ושווה לכל נפש את כל הבאז סביב ההיגס, ובאופן יחסי חף ממעידות (למעשה, רק פעם אחד נעתי בחוסר נוחות על הכיסה). לכן, לפני שאני נכנס לכל הטררם, הרי הוא לפניכם:



The Higgs Boson Explained from PHD Comics on Vimeo.


מציאת ההיגס היתה משימה מסובכת מאין כמוה. עתה, לאחר שבועיים של הרצאות שחלק לא מבוטל מהן נסב סביב נושאים טכנולוגיים, אני משוכנע שמדובר באקסודוס המדעי של כל הזמנים. דרגת התחכום והמורכבות של המערכת בכל היבטיה בלתי ניתנת לתפיסה, ואני אפילו לא אבצע נסיון לשכנע את קוראי בכך משום שכל מה שאכתוב כאן יהיה כאין ואפס לעומת המציאות... מקווה בכל זאת לכתוב מתישהו רשומה העוסקת במאיץ עצמו, לא בגלאים. מה שמדהים הוא שהמערכת הזו סיפקה את מה שהיה מצופה ממנה: סיגנלים ברורים בערוצי אינטראקציה הנחזים על ידי המודל הסטנדרטי עם חלקיק היגס.

שני ערוצים נבדקו ביסודיות על ידי שני גלאים בלתי תלויים זה בזה המנוהלים על ידי שתי קבוצות מתחרות: CMS ו-ATLAS. בכל מה שקשור בניתוח של נתונים אני מבין קטן מאוד (לשון המעטה) ולכן אין בכוונתי לצלול לתוך האוקיינוס הזה; אני מקבל את הסיכומים שמשחררים הצוותים של שתי הקבוצות כ'זה ראה וקדש', ונדמה לי שאין איש מטיל ספק עוד באמינות הניתוחים. אז חלקיק דמוי היגס כנראה שיש לנו. לפי מה שנאמר לנו עדיין לא ברור אם מדובר בחלקיק בעל ספין אפס או שתיים, לא ברור אם יש לו מבנה פנימי או לא, לא ברור עדיין אם יש כמה ממנו או רק אחד. כל אלו יבדקו לכשיצטברו עוד נתונים, והם מצטברים כל העת.

אז היכן ועל מה הביקורת? אתמקד בסרט הרשמי של CERN ובו מנסה ג'ון אליס להסביר את המכניזם לפיו שדה ההיגס 'מעניק' מסה לחלקיקים המסיבים. אליס עושה זאת באמצעות אנלוגיית שדה השלג (אחרים עושים זאת באמצעות אנלוגיות דומות מאוד). הנה:




במסגרת המודל הסטנדרטי, חלקיק ההיגס הוא עירור של שדה (קוונטי) סקלרי דהיינו, שדה שנשמר תחת טרנספורמציות לורנץ, כלומר תחת מעבר בין מערכות התמד. האינווריאנטיות הזו מובנית בתורה שאם לא כן, אין היא יחסותית וממילא חסרת עקביות. בשום פנים ואופן לא יהיה נכון לדמות את שדה ההיגס (או את ערך התצפית שלו בואקום) לאיזה סוג של אתר הממלא את כל המרחב וכל מה שנע בו עשוי איכשהו 'להתחכך' עימו, ובאופן זה לרכוש אינרציה. כל נסיון להציג זאת כך הוא לדעתי משגה פדגוגי שנזקו רב משום שהוא מצייר בדמיונו של הצופה תמונת עולם אריסטוטלית שאין בה שמץ של הגיון יחסותי, והיא שגוייה מן המסד ועד הטפחות...

הנקודה הזו היא מהותית: בתודעתו של הצופה ההדיוט, או זה שאינו הדיוט אבל גם אינו ערני דיו, עשוייה להצטייר תמונה שתהא שגויה אפילו ברמה הניוטונית: כל תלמיד כיתה י"א יודע שמטען האינרציה המאפיין גופים חומריים (inertial mass) מבטא את מידת ההתנגדות של הגוף להאצה, כלומר לשינוי וקטור המהירות, בהשפעת כוח נתון. למהירות כשלשעצמה אין כל קשר לכך משום שמהירות היא מושג יחסי. והרי כל גוף הנע במהירות פנטסטית ביחס אליך, נמצא במנוחה במערכת המנוחה שלו... מסת ההתמד של גוף חומרי היא אם כן תכונה יסודית הקשורה בתאוצת הגוף, לא במהירותו. עתה, בעיקבות התוצאות מ-CERN, אנו יכולים לומר שלאינטראקציה של החלקיקים האלמנטריים עם שדה ההיגס יש השפעה על התכונה הזו, השפעה שמקורה בערך התצפית של שדה ההיגס בואקום.

טענה המופיעה בסירטון במובלע כאילו גופים השקועים עמוק יותר בתוך ה'שלג' ההיגסי מבטאים אינרציה רבה יותר ולכן גם מהירותם נמוכה יותר פשוט מוליכה שולל. כך למשל, מספר לנו אליס שהאור אינו חש את התווך ההיגסי ולכן נע במהירות המקסימלית האפשרית, היא מהירות האור (מדוע שתהיה בכלל מהירות מקסימלית אפשרית, אם זו הפרשנות?), הניטרינים נעים מהר מאוד משום שהם מרגישים את התווך ההיגסי 'רק קצת', וככל שהחלקיק כבד יותר הוא ינוע לאט יותר משום ש'החיכוך' שלו עם שדה ההיגס גדול יותר. ובכן, חזרנו לימים של אריסטו בהם מידת המהירות של גוף חומרי היתה ביטוי למידת האינרציה שלו... יש לשוב ולהדגיש: לניטרינו יש גם מערכת מנוחה. ובמערכת הזו הוא נמצא במנוחה בדיוק כמו שהרי ההימליה נמצאים במנוחה במערכת היחוס של הפלטה הטיבטית. מההיבט הזה (ורק מההיבט הזה), אין שום הבדל בין ניטרינו אלקטרוני להר האוורסט.

המושג של מערכת מנוחה חשוב מאין כמוהו להבנת הנושא ויש בדעתי להרחיב על כך ברשומה הבאה. אבל הבעיתיות עם האנלוגיות של אליס לא מסתיימת בזה. עוד כמה וכמה מיסקונספציות חבויות בהסברים הללו, המתימרים אמנם להיות הסברים מסדר-אפס, אבל (אם יורשה לי להתבדח) של הפיתוח הלא נכון... על כך, ברשומה הבאה בנושא אותה אני מקווה לשחרר במהלך השבוע הקרוב.




יום שני, 2 ביולי 2012

סאגת ההיגס - המשך (רשמים מ-CERN)


רצה הגורל והגעתי ל-CERN לשהות בת שלושה שבועות בימים הכי חמים שידע עולם הפיזיקה של החלקיקים האלמנטרים בשני העשורים האחרונים; אני משתתף מטעם חמד"ע בפרוייקט בינלאומי שמטרתו לקרב את נושא החלקיקים האלמנטרים לליבם של מורי בתי הספר, בתקווה שאלו ישכילו לעורר השראה בתלמידיהם. בפעם הקודמת שהגעתי לכאן העברתי סמינר המסכם את הישגי עבודת הדוקטורט שלי בפני אנשי המחלקה התאורטית. עתה, בעבור תריסר שנים תמימות, אני מגיע ל-CERN כאחרון הפיונים, תרתי משמע.


עדכון 2/7/2012

כשבאתי כתלמיד מחקר לא יכולתי לקוות ליחס אישי מאנשים עסוקים דוגמת ג'ון אליס, המכונה בפי כל LORD OF THE RINGS. ואילו עתה, בהיותי מורה מן השורה, אחד מקבוצה של מורים מכל רחבי העולם ללא כל רקע קודם בתחום, נתפנה האיש ובא להעניק לנו הרצאת מבוא בת שעה שלמה, וכל זאת יומיים בלבד לפני מסיבת העיתונאים החשובה בתולדות התאגיד הבינלאומי היוקרתי. על שום מה LORD OF THE RINGS? על שום הטבעות המרכיבות את המאיץ (דרכן מואצים הפרוטונים), על שום היותו של ג'ון הסמכות הבלתי מעורערת כמעט בכל תחום התמחות הקשור בפרויקט, ידו בכל ויד כל בו, ומכיוון שדמותו החזותית נראית לקוחה מתוך סיפוריו של טולקין... בתמונה זו שצילמתי היום בכיתה, מתאר אליס את ארץ הפלאות של סקטור ההיגס באמצעות מפתה המפורטת המודפסת לבן על גבי שחור על חולצתו...




ג'ון אמנם לא סיפר מה בדיוק יאמר במסיבת העיתונאים אבל הוא כן סיפר מה לדעתו מתרחש מאחורי הקלעים... וזה לא משאיר מקום להרבה ספקולציות. בין השאר, הוא הציג בפננו את אותם גרפים שהופקו ב- VIXRA-LOG - גרפים שהעלתי כאן בבלוג ברשומה המתגלגלת על המודל הסטנדרטי - באומרו שלמרות שאלו הופקו ע"י בלוגר, הם כלל לא רחוקים מהמציאות. אמר וצחקק... כזכור האנליזה שם מובילה למסקנה שהחלקיק החמקמק נמצא באנרגיה של כ-125 GEV ברמת ודאות של שלוש סטיות תקן. ככל הנראה העדויות שהצטברו במהלך החורף האחרון העלו את רמת הודאות לחמש סטיות תקן, מה שמאפשר סוף כל סוף להכריז על גילוי (?...)

עד כאן השמועות וההשתמעויות. להכרזה האמיתית והמדוייקת נאלץ לחכות עוד קצת אבל אם אלו הם הממצאים, הרי שהמסה של החלקיק נמצאת במקום שמעלה סימן שאלה בנוגע למודל הסטנדרטי עצמו: סקטור ההיגס בתורה שונה במעט ממה שחשבו שהוא (אני לא מספיק מתמצא בפרטים כדי לומר במה בדיוק הוא שונה, אבל אנסה להבין זאת בהמשך). מובטחת לנו אם כן תקופה מעניינת של אבולוציה רעיונית ואנו נשתדל להיות קשובים...

לא זו בלבד שהאוטוריטה נתפנתה ובאה להרצות בפני אוסף של הדיוטות גמורים (מנקודת המבט המקצועית כמובן), אלא אף נתפנה השר לענייני טבעות במדינת "שקל-מדד" לענות לי על שתי שאלות שתמיד הטרידו אותי עד מאוד, שתיהן נוגעות לפרשנות הרווחת לסקטור ההיגס: האחת קשורה במבנה של שדה ההיגס עצמו, השנייה במשמעות המושג "הענקת מסה לחלקיקים חסרי מסה". למרבה הצער, לא יצא לי הרבה מזה. יתכן שלא נסחתי כראוי את השאלות או אולי לא הבנתי את התשובות; בסופו של יום נשארתי בדיוק עם אותם סימני שאלה. אני אעלה פה את השאלות הללו ברשומה עתידית במידה ולא תתקבלנה תשובות מספקות בהמשך. והרי נותרו לי פה עוד עשרים יום וכל שמנה וסלתה של אצולת הפיזיקה כבר נוכחת במקום (אל חדר ההסעדה המפורסם של CERN אי אפשר להחדיר אפילו סיכה בשעת ארוחת הצהריים...). נחכה ונראה.

ולסיום דיווח ראשוני זה (יהיו עוד, בכפוף למגבלות אובייקטיביות), הנה הנוף הנשקף מחלון חדרי במלון שבתוך הקומפלקס של CERN; מזג האוויר קריר וסגרירי, הכל ירוק, כרמי גפנים נפרשים מקו הגדר של בירת הפלך ועד לאופק... הרכס המוארך ברקע הוא המתחם המערבי של הרי היורה.




עדכון 3/7/2012:

הפתעה חביבה חיכתה לנו הבוקר בדמות פגישה קבוצתית עם פטר היגס. קבוצתנו מונה כארבעים מורים מ-27 מדינות (אם זכרוני אינו מטעני). מרבית המורים לא נפגשו מעולם עם פיזיקאי בעל שם, וההתרגשות היתה רבה... פטר היגס נכנס לחדר כחתן לחופתו וג'ון אליס משמש בתפקיד השושבין. דקה לאחר מכן נתפנה אליס לעיסוקיו והשאיר את היגס להסתדר לבד... אף שהוא די מורגל בכך, נראה שמבטי ההערצה שנשלחו אליו מכל עבר נעמו לו מאוד. מילות פירגון נזרקו לחלל החדר כמו סוכריות בחגיגת בר מצווה. למי שמתבונן מהצד זה באמת נראה משעשע :) היגס פרסם את הפיתרון שלו לבעיית המסה במודל הסטנדרטי כבר בשנות השישים, במקביל לפרסום בלתי תלוי של שני פיזיקאים מבריקים אחרים - פרנסואה אנגלרט ורוברט בראוט. אתרע מזלם של אלו, ואף על תרומתם לתחום, לא זכו (בינתיים) להיכנס להיכל התהילה.

לשאלת אחת המורות בקהל, סיפר לנו פטר שעבודתו הוגשה לפרסום אך נדחתה בטענה שאין לה כל רלוונטיות לפיזיקה. בסופו של דבר פורסמה מאוחר יותר בז'ורנל אחר, במקביל לפירסום של אנגלרט ובראוט. בכך ניסה לרמוז לנו (לדעתי) שהיה הראשון לנסח את המכניזים, מה שבהחלט יכול להיות נכון... וגם לא נכון. לפני שלוש-עשרה שנה יצא לי לשבת לארוחת ערב סביב שולחן אחד יחד עם פרנסואה אנגלרט במסגרת כינוס שנערך באוטרכט. אנגלרט הוא יהודי צרפתי חובב מושבע של יין משובח. כמה כוסיות מזה תספקנה להעלות חיוך שלא ניתן למחות מלחייו האדמוניות, השופעות חיוניות. אבל אם תספרו לו שהיגס ניסח את המכניזם של שבירת הסימטריה לפניו הוא עשוי לפלוט את כל היין ששתה ישר על פרצופכם. אם לא ראיתם את אנגלרט כועס לא ראיתם מחזה משעשע מימכם.

הנה עוד אנקדוטה חביבה שקראתי בספרו הפופולרי של מרטינוס ולטמן העוסק בחלקיקים ובחלקיקאים (לא מתחייב על הדיוק בפרטים הקטנים, אני שולף זאת מזכרוני): פעם ישבו ולטמן ואנגלרט יחד עם עוד כמה מאושיות הפיזיקה התאורטית סביב השולחן לארוחה דשנה. ולטמן סיפר לכל הנוכחים שערך בדיקה קטנה והסתבר לו שאם אתה פיזיקאי ונולדת בחודש מרץ יוני אז הסיכוי שלך לזכות בנובל גדול באופן משמעותי מהסיכוי של אלו שנולדו בחודשים אחרים. אנגלרט, שכבר ירד על כמה כוסיות של יין עתיק, הפטיר בקול גדול לעבר הנוכחים: אני לא צריך את הסטטיסטיקה הזו; אני יהודי. אזי פרץ בצחוק רם, מתגלגל, ובלתי נשלט, ובה בעת כל שאר המסובים סביב השולחן דממו (על פי עדותו של וולטמן, צחוקו של אנגלרט היה כה עז עד כי ממש חשש שמא יחנק...).

נחזור למפגש עם פטר היגס. בעיקבות אחת האמירות המתחנפות שנזרקו לחלל החדר (לא זוכר ממי ובהקשר למה) גדשה בת צחוק של שביעות רצון את פניו של פטר וכה הפטיר לעבר הנוכחים: "נראה לי שאחר מסיבת העיתונאים שתתקיים מחר אני יכול ללכת להתפגר במצפון נקי..."  שכה אחיה.  ובאמת, האיש כבר זקן למדי ושמיעתו חלשה והוא נזקק למכשיר שמיעה. משום כך התקשה מעט לשמוע את השאלה ששאלתיו באופן אישי בתום המפגש. תשובתו של היגס הייתה אמנם עניינית אבל הוא לא אווה לפתח את הנושא מעבר לתשובה הסטנדרטית (המוכרת לי) ואולי זה לא הוא שלא אווה, אלא מורים נרגשים שצבאו עליו מכל עבר כדי להצטלם עימו וממש רטנו על כך שאני גוזל מהם דקות יקרות שלא תשובנה. גיליתי רצון טוב, הנחתי להיגס ויצאתי את האולם. כמה נעים היה להחליף את האווירה הדחוסה בחדר באוויר הקריר והבשום של החוץ...

הערת חצות: על פי דברי ג'ון אליס (שנאמרו בכמה הזדמנויות בפורומים מקצועיים), הואקום של הסקטור האלקטרו-חלש במודל הסטנדרטי בלתי יציב עבור שדה היגס שמסתו נעה בין 114 GEV ל-135 GEV ולכן הממצאים שיפורסמו מחר לגבי ההיגס מחייבים קיומה של 'פיזיקה חדשה'. אם יהיה טעם, אפרט יותר על כך בהמשך.


עדכון 4/7/2012


CERN התעוררה הבוקר ליום החגיגי בתולדותיה. מאות פיזיקאים, מהנדסים, אנשי תקשורת וסתם סקרנים עם אישורי כניסה מתרוצצים אנא ואנא. מעטים זכו להיכנס לאולם המרכזי. הגעתי בתקווה לתפוס מקום אבל המחיר שצריך לשלם בשביל זה גבוה מידי... (לא, לא צריך לשחד אף אחד. פשוט הצפיפות והדוחק נוראיים). הרשת קרסה, האסוס טרנספורמר מקרטע כמו רכב משנות העשרים של המאה הקודמת. אחכה שהצונמי יעבור; יש תוצאות מעניינות שמובילות למסקנות מעניינות. STAY TUNED.

O.K. התוצאות מרתקות. שני הגלאים הגדולים של CERN, היינו, CMS ו-ATLAS הראו סיגנל ברור של היגס מסוג כלשהו, בשני ערוצי בדיקה בלתי תלויים וברמת ודאות של חמש סטיות תקן עבור כל אחד מהם בנפרד! למרבה הפלא, הסיגנל בערוץ שבו מתקבלים שני פוטונים חזק כמעט פי שניים ממה שחוזה המודל הסטנדרטי. לעניות דעתי זו עדות לכך שהבנת הדברים לוקה בחסר ועבודה רבה עוד צפוייה לתאורטיקאים. כדי להבין את כל המשמעויות של התוצאות יש צורך בעוד הרבה דאטה, וב-CERN כבר משנסים מתניים לעבודה מאומצת כפי שסיפר לנו רולף, אחד הדירקטורים כאן והמארח של קבוצת המורים. מהן ההשלכות של כל זה לסבירות שיגלו את SUSY ב-CERN? אין לי מושג אבל אנסה לברר ואעדכן במידה ואבין. 

הייתם צריכם לשמוע את התשואות ומחיאות הכפים באולם בעת ההכרזה: יש לנו חלקיק חדש והוא נראה כמו היגס... אנשים מחוץ לאולם ממש דמעו מהתרגשות. אחרי ככלות הכל, היה פה מאמץ עצום, משותף לאלפי אנשים, שנפרש על פני כמעט שני עשורים, מאמץ שבסופו של דבר הוכתר בהצלחה. כולם באופוריה, בלילה יערה כאן הרבה אלכוהול לתוך גרונות ניחרים... המורים בקבוצתי הלומי הלם מהחוויה הלא צפוייה שנזדמנה להם; סדר היום המקורי של בית הספר פורק לגמרי לרגל המצב. עכשיו רק נותר לראות מהו קבוע הדעיכה בזמן של האופוריה. אני מת מרעב ואי אפשר להיכנס לאתר ההסעדה המיתולוגי של CERN מרוב שהוא הומה אדם....

פטר היגס ופרנסואה אנגלרט היו אורחי הכבוד של הארוע, וכשנכנסו לאולם זכו לתשואות שרק כוכבי רוק זוכים להם. ואולם היגס עורר התלהבות רבה יותר, מה שעלול לשלוח את אנגלרט להתעלק על בקבוק יי"ש... התמונות מטה צולמו על ידי בחטף: בעליונה פטר היגס ביציאה מהארוע, ובתחתונה אנגלרט (מזוקן וחמוש במשקפיים עבות) כמה דקות לפני שעלה לאולם.






סגירה 6/7/2012

יומיים חלפו מאז ההכרזה הדרמטית והחיים כאן חוזרים למסלולם. גלים משניים ושלישוניים עדיין מכים בכל רחבי הבלוגוספירה, הרשת מלאה בדיונים, ויכוחים, ספקולציות, והרבה אדרנלין. זה הזמן בשבילי לסגור את הדיווח. אני מעריך שאכתוב על הנושא עוד בהמשך, ומהיבטים שונים. סוף השבוע מתקרב ו... הרי היורה נמצאים במרחק יריקה מכאן ופסגתם קורצת ;)

צירפתי למטה סירטון ששיחררה CERN ובו נראה ג'ון אליס מסביר את הקונספט של שדה ההיגס וחלקיק ההיגס. דיווח יום-יומי על קבוצת המורים והקורות אותה בתוך כל ההמולה תוכלו לקרוא בבלוג הנאה שפתח קובי שוורצברד (הוא ואני מהווים את הנציגות הישראלית בתוך קבוצת המורים), המופיע ברשימת הבלוגים למדע פופולרי מצד שמאל.






תוספת מאוחרת (23/1/2013): קבלו שיבוץ של הדף מ-CERN ובו הראיון שנערך לפרנסואה אנגלרט זמן קצר לאחר ארוע מסיבת העיתונאים המדובר (שיבוץ הראיון לבדו משום מה אינו פועל). דפדפו מעט למטה, כנסו לסרטון וראו תגובתו של אנגלרט כאשר הוא נשאל על תרומתו לתגלית; בפרט, שימו לב לשפת הגוף שלו החושפת טפח טעון במיוחד...