פתח דבר
הכפר ההררי קְרוֹזֶה שבמזרח צרפת חולש על מרחבים של נוף כפרי. על השׂדות למטה פזורים כפרים ובתי חווה, וכמה כבישים צרים משתרכים להם ביניהם. מלבד קומץ בניינים מודרניים, הערוכים בטבעת ענקית בתוך הנוף, אין שום דבר שנראה לא־רגיל.
אבל המקום הזה לגמרי לא־רגיל. כמה מהבניינים האלה שעל פני השטח מסתירים פִּירים עמוקים שמגיעים עד למכונה הגדולה והמתוחכמת ביותר שהאנושות בנתה אי־פעם. אילו קרע אותה איזה ענק מן האדמה והציב אותה כמו חישוק בניצב לקרקע, היא היתה מגיעה לגובה של שמונה קילומטרים ויותר בשמים. רק החשמל שנחוץ כדי להדליק את המכונה ישתווה לצריכה החודשית של עיר גדולה.
כאן שוכן מאיץ ההַדְרוֹנים הגדול, מרסק אטומים בשוֹוי מיליארדי דולרים, שאירגון CERN, האירגון האירופי למחקר גרעיני, מפעיל בשולי ז'נווה. יותר מעשרים מדינות התאחדו כדי לממן את המפלצת הזאת, והקמתה נמשכה יותר מעשר שנים. עשרת אלפים מדענים, כאן ובמעבדות בכל רחבי העולם, מחוברים אל המידע שהיא מפיקה.
בתוך המכונה מוּאצים חלקי אטומים במהירות הקרובה כחוט השערה למהירות האור, והם מוּטחים זה בזה בהתנגשויות חזיתיות. הפעולות האלה של אלימוּת מתוזמרת משחזרות את התנאים ששׂררו ברגעים הראשונים שלאחר המַפּץ הגדול, אותה התפרצות קוסמית שהולידה את היקום. כאן, בין ניצוצות מתרוצצים של אש קדמונית, מדענים מחפשים את התשובות לחידות העמוקות ביותר של הטבע.
אחת החידות האלה, אולי המרתקת מכולן, הדריכה את מנוחתם של מדענים במשך כמעט חצי מאה. המדענים לא מצליחים להסביר לָמה גופים שוקלים כפי שהם שוקלים. הם יכולים להתקרב אל הפתרון, אפילו להתקרב מאוד, אבל תמיד חסר משהו. והם יודעים למה. אם תרסקו משהו לרסיסים, לאבק, אחר־כך לאטומים, אחר־כך לחלקי אטומים, תגיעו בסופו של דבר אל אבני הבניין הקטנות ביותר של החומר. האמת המביכה והתמוהה היא שהמדענים אינם יודעים מדוע לחלקיקים האלה - שמהם עשוי כל שאר החומר - יש בכלל מסה כלשהי.
והנה, בשנת 1964, מדען שישב במשרדו באֶדינבּוֹרוֹ ועבד עם עט ונייר, נתקל במה שלדעת המדענים הוא פתרון החידה. פּיטר היגְס (Higgs) ראה לנגד עיניו שׂדה בלתי־נראה שמגיע עד קצווי היקום. בראשית הזמן היה השׂדה הזה רדום, אבל בשעה שהיקום הצעיר התרחב והתקרר, קם השׂדה לתחייה והתחיל להפעיל את השפעתו. באותו רגע, אבני הבניין חַסרות־המשקל נעשו לאבני בניין בעלות־משקל. עולם חסר־מסה קיבל מסה. התוצאות נראות בכל מקום סביבנו. הן סלע קיומנו.
בלי השׂדה הזה כל היקום שלנו היה סוּפה משתוללת של חלקיקים אצים־רצים אָנֶה ואָנָה במהירות האור. האטומים והמוֹלקוּלוֹת המוּכּרים לנו לא היו קיימים. החומר הקוסמי לעולם לא היה מתאחד ויוצר גלקסיות, כוכבים ופּלנטוֹת. לא היה ליקום שום מיבנה מוכר - שום מקום שמעניק לחיים דריסת רגל ראשונה, מהוססת.
מדען אחד ב־CERN אמר לי פעם שהשׂדה הזה דומה לשלג שירד בלילה וכיסה את הנוף האידילי שעל גבול צרפת־שווייץ. תארו לעצמכם שׂדה המשׂתרע עד אין קץ בכל הכיווּנים. קרני אור נעות בו כאילו הן מצוידות במגלשי סקי: הן שועטות דרכו כאילו הוא לא קיים. לחלק מן החלקיקים יש נעלי שלג, והם מתקדמים לאט יותר. אחרים יחפים, ונגזר עליהם להזדחל בקצב של חילזון. מסה של חלקיק היא פשוט מאוד המידה שבה מעוכבת ההתקדמות שלו בשׂדה.
מאיץ ההַדְרוֹנים הגדול נועד לחשוף אחת ולתמיד את טבעו האמיתי של השׂדה שפּיטר היגְס ראה בעיני רוחו. המכוֹנה אמורה ליצור בשׂדה הזה גלים שנראים כמו חלקיקים המכונים בּוֹזוֹני היגְס. אלה פתיתי השלג שמהם עשוי שׂדה השלג הקוסמי שלנו, והם ההוכחה הסופית שנדרשת למדענים כדי להסביר באופן מלא למה לחומר יש בכלל מסה.
CERN לא היה המקום היחיד שהתנהל בו המירדף אחרי החלקיק. במעבדת פֶרְמילַבּ שבשולי שיקגו, שבה שוכן המאיץ השני בגודלו בעולם, מדענים הציבו את החלקיק הזה בעדיפות עליונה. בשתי המעבדות, משני צידי האוקיינוס האטלנטי, התנהל מסע ציד שנמשך עשור - המירוץ הגדול ביותר בפיזיקה המודרנית. במרס 2013 הסתיים המירוץ בהכרזה של מדעני CERN על גילוי החלקיק.
מציאת חלקיק היגְס היא לא רק עניין של גאווה. זו הפיסה החסרה היחידה במה שנקרא "המודל הסטנדרטי" - מערכת חוקים שמתארת את כל החלקיקים הידועים ביקום. אבל זו רק ההתחלה. חבורה גדלה והולכת של מדענים מאמינה שחלקיק היגְס לא רק יפתור את חידת המסה, אלא גם יפתח שער לעולם נסתר של חלקיקים וכוחות שאנחנו רק מתחילים לנחש את קיומם.
בגלל האופי החמקמק של חלקיק היגְס וחשיבותו העמוקה, פיזיקאי אחד, חתן פרס נוֹבּל, העניק לו כינוי מרחיק־לכת: החלקיק האלוהי. אם תמשיכו לקרוא, ודאי תגלו שרק מעט דברים מאחדים את הפיזיקאים יותר מאשר הזלזול בשם הזה. הבוז שלהם משתווה רק לשמחה של מנסחי הכותרות בעיתונים, שבשבילם החלקיק האלוהי נהיה למושיע מסוג אחר לגמרי.
הספר הזה מספר איך קרה שהיקום קיבל מסה, ואיך רעיון שנכתב בפנקס לפני כחצי מאה נהיה למוקד עולמי של ציד, שעלוּתו מיליארדי דולרים, ומשתתפים בו אלפי מדענים והמכונות הגדולות והמורכבות ביותר שנבנו מעולם. איך שלא תסתכלו עליו, לסיפור הזה יש מסה.


פרק ראשון
ארוכה הדרך לפּרינסטוֹן
הנסיעה לפּרינסטוֹן יכולה לתפוס את רוב שעות היום, במקרה הטוב. הנתיב עובר לאורך קו החוף המזרחי של מפרץ צֵ'סָפּיק רחב הידיים ומשם אל וושינגטון, בּוֹלטימוֹר ופילדלפיה, עד שהוא מגיע לבסוף אל העיירה שהיתה פעם מעונו של הפיזיקאי הגדול מכולם, אלברט איינשטיין.
פּיטר היגְס ארז כמה בגדים ותיק מלא רשימות מחקר ויצא אל המכונית עם אישתו ג'ודי ובנם כּריסטוֹפר, בן שישה חודשים. הוא הניף את המזוודה אל המושב האחורי ועיין שעה ארוכה במפה. כשהיה בטוח שקלט את המסלול, יצא לדרך ברחובות מוצלים בכיווּן צפון־מזרח אל הכביש המהיר, בעוד העיר מתעוררת לאיטה לאור שמש בוקר אביבית.
התאריך היה 14 במרס 1966. היגְס, פיזיקאי מאוניברסיטת אֶדינבּוֹרוֹ שבסקוטלנד, עבר בשנה הקודמת לגור בעיר צ'אפֶּל היל בצפון קרוליינה, לשנת שבתון באוניברסיטה שבעיר. עבודתו של היגְס בצ'אפֶּל היל עוררה את תשומת ליבו של מדען בכיר, וזה הזמין אותו להרצות במכון למחקר מתקדם שבפּרינסטוֹן, אחד ממרכזי המדע המובילים בעולם, והמקום שבו אלברט איינשטיין בילה את רוב חייו המקצועיים. הסמינר היה צפוי לעורר מחלוקת: היגְס גילה את מה שמכוּנה מקור המסה.
לימים התברר כי הנסיעה לפּרינסטוֹן היתה יותר מביקור אקדמי רגיל. היא סימנה את ראשיתה של שרשרת מאורעות שהטילה את היגְס אל אור הזרקורים המדעי והכשירה את הזירה למצוד הגדול ביותר בתולדות הפיזיקה המודרנית. בעזרת מכונות שעולות מיליארדי דולרים, ושהשׂתרעו לאורך קילומטרים של מחילות תת־קרקעיות, אלפי מדענים חיפשו במשך עשרות שנים חלקיק אחד - הציר שעליו סובבת התיאוריה של היגְס. המַנְטְרָה שלהם היתה פשוטה: נמצא את החלקיק של היגְס, וחידת מקור המסה תיפתר.
במשך מאות שנים המדענים לא ידעו בכלל שלמסה יש מקור, לפחות לא במשמעות המודרנית. המילה מסה תיארה פשוט כמה חומר (matter) יש לעצם. וחומר לא היה אלא מונח מרשים ל"דברים" ("stuff"). לגוש סלע יש יותר מסה ממה שיש לכיכר לחם (אלא אם כן לאופה היה יום במיוחד לא־מוצלח), וזה הכל. משמעות המילה מסה היתה כל־כך אינטואיטיבית ומוחשית, עד שאיש לא העלה על דעתו לפקפק בה.
מושגים מעורפלים וחלקיים על מסה הופיעו בעת העתיקה והתפתחו בימי הביניים. אֵיגידיוּס איש רומא, תיאולוג נודע ואחד ההוגים המשפיעים ביותר בסוף המאה ה־13, עשה צעד מושגי חשוב כשהבחין בין ממדיו של עצם ובין כמות החומר שיש בו. למשל, גוש קרח משנה בבירור את צורתו כשהוא נמס ונהיה למים, מתאדה ונהיה לקיטור, ומתגבש שוב למוצק קפוא. אבל כמות החומר נשארת כמו שהיתה, אמר אֵיגידיוּס, תהיה צורתו אשר תהיה. ההבחנה הזאת, שבוודאי עוררה דיונים תיאולוגיים ערים על נושא הטרַנסוּבּסטַנציאַציה - אותו תהליך משוער שבו הלחם והיין נהפכים בשעת המיסה הנוצרית לבשרו ודמו של ישו - משקף את ההגדרות המודרניות של נפח ומסה.
בתחילת המאה ה־14, הפילוסוף הפריזאי ז'אן בּוּרידָן השתמש במושג מסה כשתיאר איך זריקת חפץ מעניקה לו תנופה, שתלויה בכמות החומר שיש בו ובמהירות שבה הוא מושלך. האסטרונום הגרמני הנודע יוהאנס קֶפְּלֶר, בן המאה ה־16, קידם את הבנת המושג כשטען כי הפּלנטוֹת אינן סוטות ממסלולן ואינן מעופפות להן בחלל כמו כדורי ביליארד שהתפזרו, בזכות האינֶרְציה הנובעת מן המסה האדירה שלהן.
למרות הערך הרב שהיה לעבודתם של הפילוסופים והאסטרונומים הראשונים, המונח מסה לא היה בשימוש שיטתי עד 1687, כשאייזק ניוטון הניח את היסודות למכאניקה הקלאסית ביצירה גדולה אבל לא מאוד קריאה: היסודות המתמטיים של הפילוסופיה של הטבע (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), המכונה בקיצור פְּרינקיפְּיה (הספר נכתב בלטינית, שעדיין שימשה שפת המלומדים בארצות רבות באירופה). ניוטון אמר שהמסה היא כמות של חומר הנובעת מנפחו של העצם ומצפיפותו. המסה של העצם שולטת באינֶרְציה שלו, שהיא מידת ההתנגדות שלו כשדוחפים אותו ומידת ההשפעה של כוח הכבידה עליו. לאחר שקבע את ההגדרות האלה, ניוטון גזר מֵהן את חוקי התנועה הבסיסיים.
ניוטון תפס את המסה ואת החומר תפיסה אינטואיטיבית, שהיתה עמוקה הרבה יותר ממה שחשף בפּרינקיפּיה. הוא סבר כי העצמים הגשמיים עשויים מאינספור חלקיקים זעירים, ואלה נוצרו על־ידי אלוהים ואי־אפשר לנפץ אותם לעולם. לחלקיקים האלה יש צורות וגדלים שונים שמתלכדים ויוצרים חומרים שונים. כל מה שיכול אדם לעשות הוא ליצור צורות חדשות מאותם תַלְכּידים של חלקיקים זעירים לאין שיעור.
כמעט עשרים שנה אחרי פירסום הפרינקיפיה הרשה לעצמו ניוטון להעלות השערות בדבר טיבו של החומר. הוא עשה זאת ביצירתו הגדולה השנייה, ספר קריא יותר ושמו אופטיקה (Opticks). הספר, שנכתב באנגלית, עסק בתיאוריות על השתקפות, שבירת קרני אור וצבעים: "נראה לי סביר שאלוהים יצר בתחילה חומר בחלקיקים מוצקים בעלי־מסה, קשים, בלתי־חדירים וניידים... קשים עד כדי כך שאינם נשחקים ואינם מתנפצים לעולם", כך כתב.
הרהוריו של ניוטון על החומר לא היו רחוקים כל־כך מן האמת. המדענים סבורים היום שהחומר מורכב מקומץ של חלקיקים שכמעט אי־אפשר לנפץ. נדרשו למדענים יותר מחמישים שנה לזהות את אבני הבניין היסודיות ביותר של החומר, שיחד מהוות את הקרביים של האטומים. צירופים שונים של האבנים האלה נותנים לנו את היסודות הכימיים ואת הטבלה המחזורית: אטומים שיוצרים מתכות, גבישים, נוזלים וגזים, ויכולים להתמזג למספר כמעט אינסופי של מוֹלקוּלוֹת.
לאבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר קוראים המדענים חלקיקי יסוד, ומעצם הגדרתם אי־אפשר לנפץ אותם לחלקים קטנים יותר. את החלקיק הראשון גילה בשנת 1897 ג'יי.ג'יי. תומסון במעבדת קָווֶנדיש שבאוניברסיטת קיימבּרידג'. כמו פיזיקאים רבים באותו זמן, תומסון התעניין בטיבן של קרניים זוהרות שהופיעו כאשר מתח חשמלי סוּפּק לשפופרות זכוכית מלאות גזים בלחץ נמוך. הקרניים נעו מן הקָתוֹדָה, שהיא אלקטרוֹדה בעלת מטען שלילי, אל האָנוֹדָה, שהיא אלקטרוֹדה בעלת מטען חיובי. ממה עשויות הקרניים - איש לא ידע.
תומסון פתח בסידרה של ניסויים שנועדו לעמוד על טיבן של "קרני הקָתוֹדָה" המשונות האלה. באחד הניסויים הוא השתמש בשפופרת זכוכית של 15 אינץ' שצופתה בקצה אחד שלה בצבע פוֹספוֹרֶסֶנְטי (מפיץ אור). תומסון חרץ חריץ באָנוֹדָה, וחלק מהקרניים שקרנו מהקָתוֹדָה עברו דרכו ויצרו כתם בהיר כשהגיעו אל הפוֹספוֹר. המהלך הגאוני היה לבנות בתוך מכל הזכוכית מערכת שנייה של אלקטרודות שהקרניים יעברו דרכן. כשחיבר תומסון את האלקטרודות אל סוללה חשמלית, הוא גילה שהכתם נע מן הלוח השלילי אל הלוח החיובי.
ניסויים נוספים הראו שקרני הקָתוֹדָה מורכבות מזרמים של חלקיקים זעירים בעלי מטען שלילי. תומסון קרא להם אלקטרוֹנים, מונח שטבע המדען האירי ג'ורג' ג'וֹנסטוֹן סְטוֹני עשרים שנה לפניו, ורמז שהם מרכיבים שמצויים בכל האטומים המוכרים למדענים. תומסון התעודד מן התגלית, והציג את מודל "עוגת הצימוקים" של האטום, שנקרא כך מפני שתיאר את האטום ככדור חומר בעל מטען חיובי, שבתוכו פזורים אלקטרוֹנים זעירים בעלי מטען שלילי.
התברר שעוגת הצימוקים האטומית של תומסון היא לא המנה שהטבע הזמין. הרעיון התרסק כשהכימאי והפיזיקאי יליד ניו זילנד ארנסט ראתֶרְפוֹרד בישר את הבשורה המדהימה שהאטומים הם כמעט ריקים. כמעט כל המסה של האטום, אמר ראתֶרְפוֹרד ב־1911, ארוזה בתוך גרעין מרכזי בעל מטען חיובי. בהמשכו של אותו עשור חקר ראתֶרְפוֹרד את הגרעין לעומקו, וגילה ראיות לסוג חדש של חלקיק שנמצא בתוכו, הפּרוֹטוֹן בעל המטען החיובי.
באמצע שנות ה־1930 כבר היו בידי הפיזיקאים, לפי השערתם, אבני היסוד העיקריות של החומר: גרעין האטום מורכב מפּרוֹטוֹנים ומסוג אחר של חלקיק, הנֵיטרוֹן חסר המטען, שהתגלה בשנת 1932 על־ידי הפיזיקאי האנגלי ג'יימס צֶ'דְוויק. הנֵיטרוֹן מצוי בכל האטומים חוץ מאטום המימן, האטום הפשוט ביותר, המורכב מאלקטרוֹן אחד שמקיף גרעין ובו פּרוֹטוֹן אחד. סביב הגרעין של כל אטום נע אלקטרוֹן אחד או נעים כמה אלקטרוֹנים בעלי מטען שלילי. הפרשנות הזאת עלתה על הנתיב הנכון, אבל היא לא היתה שלמה. לאחר זמן גילו המדענים שהפּרוֹטוֹנים והנֵיטרוֹנים כלל אינם חלקיקי יסוד של החומר. שלא כמו האלקטרוֹן, הפּרוֹטוֹנים והנֵיטרוֹנים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר, ושמם קְוַורקים.
נדרש לפיזיקאים זמן רב להסכים שהקְוַורקים קיימים באמת, לא מעט מפני שאיש לא ראה מעודו קְוַורק. הפיזיקאים האמריקאים מארי גֶל־מאן וג'ורג' צְוַוייג העלו לראשונה את הרעיון בשנת 1964, אם כי כל אחד מהם הגיע אל התיאוריה בנפרד. הם הבינו שההתנהגות של הפּרוֹטוֹנים והנֵיטרוֹנים מובנת אם כל אחד מהם מכיל שְלָשָה של קְוַורקים. ההצעה עדיין היתה שנויה במחלוקת כשהיגְס ביקר במכון למחקר מתקדם בשנת 1966. הקְוַורקים התקבלו ואומצו כחלקיקי יסוד אמיתיים של החומר רק כעבור שנים אחדות.
מאז מחקריו של תומסון על האלקטרוֹן, במשך כחצי מאה זיהו הפיזיקאים כמאתיים סוגים שונים של חלקיקים, רובם זוגות או שלשות של מרכיבים תת־אטומיים אחרים. ריבוי החלקיקים התחיל להיות מבלבל, אבל הסֵדר הושב על כנו באמצע שנות ה־1970, במודל שנחשב לגולת הכותרת של פיזיקת החלקיקים. הוא נקרא "המודל הסטנדרטי", שם פרוזאי עד כדי עלבון, והוא מסביר את כל החומר הידוע על־ידי קומץ של חלקיקי יסוד אמיתיים.
לפי המודל הסטנדרטי ישנן 24 אבני בניין בסיסיות של החומר. ביניהן יש שישה סוגים של קְוַורקים - שנקראים "מעלה" (up), "מטה" (down), "עליון" (top), "תחתון" (bottom), "קסום" (charm), "מוזר" (strange) - ולהם שלוש גירסאות, לפי תכונה שנקראת מטען צבע. מטען הצבע יכול להיות אדום, ירוק וכחול, אבל לשמות אין משמעות חזותית. קְוַורקים בעלי צבע שונה מושכים זה את זה. שאר ששת חלקיקי החומר נקראים "לֶפְּטוֹנים", משפחה שכוללת אלקטרוֹנים וחלקיקי רפאים חסרי־מסה כמעט שנקראים נֵיטְרינים, העוברים כמעט בלי מעצור דרך כל דבר שעומד בדרכם. ביקום שלנו החומר היציב המוכר לנו מבוסס על קְוַורקים ואלקטרוֹנים.
חלקיקי החומר נחלקים לשלושה דורות שנבדלים זה מזה רק במסה שלהם. הקְוַורקים מהדור הראשון הם "מעלה" ו"מטה", הדור השני כולל את "קסום" ו"מוזר", והדור השלישי את "עליון" ו"תחתון". מבחינה מסוימת, הקְוַורקים מהדור השני והשלישי הם בני־דוד מסיביים יותר של הקְוַורקים מהדור הראשון. הלֶפּטוֹנים בני הדור הראשון כוללים את האלקטרוֹן המוכר ואת הניטרינו האלקטרוֹני. הלפטונים בני הדור השני, הכבד יותר, כוללים את המיואון ואת הניטרינו המיואוני. הלפטונים בני הדור השלישי כוללים את הטאו ואת הניטרינו הטאואוני. המיואון והטאו הם גירסאות מסיביות יותר של האלקטרוֹן.
החלקיקים האחרים המתוארים במודל הסטנדרטי הם לא אבני יסוד של החומר, אבל הם ממלאים תפקידים אחרים במודל. ארבעה מהם מתַפקדים בתור נַשָׂאֵי הכוחות בטבע, והם נקראים בּוֹזוֹנים, על שם הפיזיקאי ההודי סַטְייֶנְדרָה נַאת בּוֹז. אם אנחנו לא נופלים דרך הרצפה, זה בגלל הכוח האלקטרוֹמגנטי שנישא על־ידי הפוטונים שהם פשוט חלקיקי אור. הקְוַורקים שבתוך גרעין האטום מלוכדים על־ידי הכוח החזק, שאותו נושאים חלקיקים בעלי השם ההולם "גְלוּאוֹנים" (מהמילה glue, "דֶבֶק"). שני חלקיקים אחרים, שנקראים בּוֹזוֹן W ובּוֹזוֹן Z, נושאים את את מה שמכוּנה הכוח החלש, שמתחיל לפעול כאשר יסודות רדיוֹאקטיביים מסוימים דועכים. ויש חלקיק חמישי שמשלים את המודל הסטנדרטי, החלקיק שפּיטר היגְס חזה בתיאוריה שלו את קיומו, והוא מכונה בּוֹזוֹן היגְס.
נסלח לכם אם תחשבו שהמודל הסטנדרטי מקיף את כל מה שאפשר לומר על מקור המסה. אם כל החומר היציב המוכר לנו מורכב מקְוַורקים ומאלקטרוֹנים, הלוא ברור שחלקיקי היסוד האלה מגלמים את יחידות המסה הקטנות ביותר האפשריות, נכון? ועל־פי קו המחשבה הזה, הם אכן מקור המסה, וכדי לחשב כמה מסה יש לכל עצם, אפשר פשוט לחבר את התרומה של כל המוני הקְוַורקים והאלקטרוֹנים שיש בו. אבל מתברר שהעניין לא עד כדי כך פשוט.
כשהסכומים לא נכונים מלכתחילה, זה בדרך כלל סימן שהחמצתם משהו. הנה דוגמה. הפּרוֹטוֹן מכיל שני קְוַורקי "מעלה" וקְוַורק "מטה" אחד. אם מחברים את המסה של שלושתם, הסכום הוא רק אחוז אחד מן המסה של הפּרוֹטוֹן. ל־99 אחוז מן המסה של הפּרוֹטוֹן אין הסבר. אותו דבר קורה גם לנֵיטרוֹן, שמכיל קְוַורק "מעלה" אחד ושני קְוַורקי "מטה". אילו הצדק היה עם ניוטון - כלומר אילו המסה היתה פשוט מדד של החומר - סכום המסות של הקְוַורקים היה אמור לתת את התשובות הנכונות. אבל ניוטון ידע רק חלק מהסיפור. המסה החסרה באה ממקום אחר.
יש יותר מסה ממה שנראה לעין. כמה יותר? זה התברר בשנת 1905, כשאלברט איינשטיין, אז צעיר בן 26 ושׂכיר במשרד פטנטים בבֶּרְן שבשווייץ, פירסם מאמר ושמו "האם אינֶרְציה של גוף תלויה בתכוּלת האנרגיה שלו?". לא נחזיק אתכם במתח: התשובה היא כן. איינשטיין הראה שיש שקילוּת בין מסה לאנרגיה, ושאפשר לראות במסה מדד לכמות האנרגיה שיש בְּעצם. הרעיון נפל על המימסד המדעי כרעם ביום בהיר, אבל הוא תוצאה הכרחית של תורת היחסות הפרטית של איינשטיין.
חוקי התנועה של ניוטון פועלים מצוין בתיאור עצמים (או חלקיקים) שנעים במהירות קטנה הרבה יותר ממהירות האור. אבל קרוב למהירות האור, החוקים משתנים באופן דרמטי ותורת היחסות הפרטית של איינשטיין תופסת אז פיקוד. תורת היחסות הפרטית היא תוצאה של שתי טענות: ראשית, שמהירות האור שווה לכל הצופים, יהיו המהירויות היחסיות שלהם מה שיהיו; ושנית, שחוקי הפיזיקה שווים בכל מסגרת ייחוס אינרציאלית (לא מאיצה). בניסוח אחר, חוקי הפיזיקה נראים אותו דבר, בין שהמעבדה שלך נייחת ובין שהיא נעה בחלל במהירות קבועה.
המשוואה שגזר איינשטיין היתה m = E/c2, ובה מסה של עצם שווה לאנרגיה שלו חלקי מהירות האור בריבוע. בסידור אחר של המשתנים מקבלים את המשוואה המוכרת, E = mc2, שבה הערך הענקי של מהירות האור (קרוב ל־300,000 קילומטרים בשנייה) מאפשר לראות איך אפילו במסות זעירות מגולמת כמות עצומה של אנרגיה.
התגלית של איינשטיין מסבירה במידת־מה מדוע מסה של פּרוֹטוֹן גדולה הרבה יותר מסך חלקיו. שלושת הקְוַורקים שבתוך הפּרוֹטוֹן תורמים רק אחוז אחד מן המסה שלו, אבל הם מוחזקים יחד בכוחות אדירים. רוב המסה של הפּרוֹטוֹן באה מן האנרגיה הכלואה בתנועת הקְוַורקים בתוכו ובכוחות הקושרים אותם יחד. התגלית הזאת מובילה אותנו לאמת מדהימה: כל עצם שעולה על דעתכם, מכלב המחמד שלכם ועד הטלפון הנייד, חייב את רוב המסה שלו לאנרגיה החזקה הנדרשת כדי להחזיק אותו בתור מקשה אחת.
משחק הגומלין שאיינשטיין הצביע עליו בין מסה לאנרגיה מוכח יפה במאיצי החלקיקים הענקיים שמדענים משתמשים בהם לחקור את החלקיקים התת־אטומיים. אם תטיחו שני חלקיקים זה בזה במהירות גבוהה די הצורך, סביר להניח כי שאריות מן ההתנגשות יכילו חלקיקים כבדים יותר מאלה שהוטחו זה בזה. האנרגיה שהשתחררה כשהחלקיקים התנגשו מתגבשת כמעט מייד לחומר חדש.
ניוטון ואיינשטיין הניחו לנו שניהם את היסודות להבנת טבעה של המסה, אבל בשנות ה־1960 התברר שמשהו עדיין חסר. המדענים לא יכלו להסביר מאיפה חלקיקי היסוד מקבלים מסה. זו החידה שהתיאוריה של היגְס נועדה לפתור. היא נתנה למדענים את הסיכוי הטוב ביותר לתאר באופן מלא את המסה של כל מה שהם מכירים.
פּיטר היגְס השאיר את ג'ודי, שהיתה אז בהיריון מתקדם, אצל הוריה באוּרְבָּנָה, אילינוֹי, וב־6 בספטמבר 1965 הגיע לצ'אפֶּל היל לארגן להם בית. באוניברסיטה התחיל לכתוב את המאמר הגדול הראשון שלו על מקור המסה. ב־24 בספטמבר, בשעה שעבד בספרייה של המחלקה, נקרא לטלפון. בנו הבכור, כּריסטוֹפר, זה עתה נולד.
היגְס סיים את המאמר בנובמבר ושלח עותק אחד לפירסום ועוד כמה עותקים לפיזיקאים שחשב שימצאו בו עניין. אף־על־פי שהדבר לא היה ברור אז, התיאוריה של היגְס הצביעה על רגע קריטי בלידתו של היקום. היא הראתה שבתחילה חלקיקי היסוד של החומר היו חסרי כל מסה. ואז, שבריר שנייה אחרי המפץ הגדול, אותה התפוצצות קָטַקְליזמית שהזניקה את היקום לכלל קיום, משהו קרה. היקום התקרר, ושׂדה אנרגיה שלא היה מוכר עד אז, שמתפשט בחלל כולו, התחיל לפעול. באותו הרגע, חלקיקים חסרי־מסה ששעטו אנה ואנה במהירות האור נלכדו בשׂדה וקיבלו מסה. ככל שגדלה השפעת השׂדה עליהם כן גדל משקלם.
הזמן התחיל לפני 13.7 מיליארד שנים עם המפץ הראשון שהיה מאז ומעולם (מה קרה לפניו? עד עכשיו אין לתיאוריות מה לומר בעניין הזה, ואולי לעולם לא נדע. סטיבן הוֹקינג השווה את השאלה מה קרה לפני המפץ הגדול לשאלה: מה נמצא צפונית לקוטב הצפוני?). היקום היה אז כדור מיקרוֹסקוֹפּי של אנרגיה אדירה, יותר מדי חם בשביל לאפשר את הופעת חוקי הטבע המוכרים לנו. אבל כהרף־עין (אילו היתה אז עין כלשהי) גדל הקוסמוס לממדים של כדור מטקות, והתקרר במידה מספקת - בערך ל־10,000 ביליון מעלות צלסיוס - כדי לעורר לפעולה את שׂדה היגְס. באותו הרגע אולפו אבני הבניין הראשונות של החומר ונעשו כבדות ואיטיות, כמו זבובים במרק.
שׂדה היגְס חיוני למיבנה היקום וליכולת שלו לתמוך בחיים המוכרים לנו. בלעדיו, חלקיקי היסוד, אבני הבניין של החומר, היו מתנהגים כמו אור. הכימיה המוכרת לנו לא היתה אפשרית. האלקטרוֹנים, לדוגמה, היו נשארים חסרי־מסה והיו נעים במהירות רבה מכדי שיוכלו להילכד במסלול סביב גרעיני האטום. זה היה סופה של הטבלה המחזורית; הכוכבים והפּלנטוֹת לא היו נוֹצָרים; האזור שבו היתה אמורה להיות מערכת השמש שלנו היה שממה חסרת־חיים, כמו שאר חלקי היקום.
בלב התיאוריה של היגס היה חלקיק חדש הקשור לשׂדה המעניק מסה. אפשר לומר כי בּוֹזוֹן היגְס הוא מה שנותר מן השׂדה אחרי שנתן מסה לחלקיקים. הסיכוי הטוב ביותר שיש למדענים להוכיח שהתיאוריה של היגְס נכונה היא להראות שהחלקיק אכן קיים.
זמן לא רב אחרי שהיגְס שלח את המאמר שכתב אל אנשי האקדמיה, התקבל מכתב במשרדו בצ'אפֶּל היל. המכתב היה מפְרימַן דַייסוֹן, מתמטיקאי ממוצא אנגלי ששירת במפקדת ההפצצות של חיל האוויר המלכותי במלחמת העולם השנייה. דַייסוֹן חצה את האוקיינוס האטלנטי כשהיה בן 23, ובידו מכתב המודיע שהוא המתמטיקאי הטוב ביותר באנגליה. מאז היה לפרופסור מכובד במכון למחקר מתקדם בפּרינסטוֹן.
המכתב של דַייסוֹן היה לבבי ומחמיא. דַייסוֹן כתב שהמאמר של היגְס גרם לו הנאה רבה וכי הוא מבהיר דברים שהוא עצמו מתחבט בהם זה זמן־מה. הוא שאל אם היגְס מוכן לתת סמינר על התיאוריה שלו באביב. היגְס נדהם, אבל הסכים מייד.
ההתלהבות של דַייסוֹן מהמאמר של היגְס לא הבטיחה לו ביקור קל במכון למחקר מתקדם. המכון היה ביתם של כמה מהפיזיקאים המבריקים בעולם, והיה ברור שהם יתנגדו לתיאוריה של היגְס. מאז שהנדבן האמריקאי לואיס בַּמְבֶּרְגֶר הקים את המכון בשנות ה־1930, הרבה מדענים בעלי שם נהרו אליו. הדייר המפורסם ביותר היה אלברט איינשטיין, שבילה כאן את 25 שנות חייו האחרונות בניסיון להסביר איך נוצרו כוחות הטבע. גם הלוגיקן האוסטרי־אמריקאי קוּרט גֵדֶל היה שם. גֵדֶל הגדיר מחדש את גבולות הדעת האנושית, והוא הרגיז את איינשטיין כשהראה שהתיאוריות המפורסמות שלו מאפשרות מסע בזמן. אבי המיחשוּב המודרני, ג'ון פוֹן נוֹימַן, היה גם הוא במכון, ושם הפך את המתמטיקה של הפּוֹקר לאסטרטגיה פוליטית לניצחון במלחמה הקרה.
דמותו הנישאה של רוברט אוֹפּנהיימר, שעמד בראש "פרויקט מנהטן" לבניית פצצת אטום ומונה לראש המכון ב־1946, רק העצימה עוד יותר את ההילה של המקום ואת היראה שהוא עורר. אוֹפּנהיימר נודע במזגו הרגזני ובלשונו החדה, ואלה יכלו להתגלות במלוא חריפותם כשהיה משתתף בסמינרים השבועיים שנערכו בקמפוס. לא פעם ולא פעמיים היה מתעמר במרצים חסרי־ביטחון, חוקר אותם באכזריות, ומתקן אותם לפני שהספיקו לענות. דַייסוֹן תיעב את התכונה הזאת, ומפעם לפעם היא הציתה מריבות בין השניים בסיום הסמינרים. "אוֹפּנהיימר ניסה תמיד להגיד לך מה היית אומר אם היית פיקח כמו אוֹפּנהיימר", אמר לי דַייסוֹן בריאיון באוגוסט 2008.
בזמן הנסיעה נדדה דעתו של היגְס אל ההרצאה שיישא למחרת. הקהל יהיה שונה מכל קהל שהרצה לפניו עד אז. כשחזרה תשומת ליבו של היגְס אל הכביש, הוא נתקף בנחשול של פּאניקה, כפי שסיפר לי בריאיון באוגוסט 2007. הוא חשש שיאבד את השליטה במכונית, ולכן עצר בצד הדרך, נשם נשימות עמוקות וניסה לחזור לעשתונותיו. התמרור שראה פתאום בדרך הוא שעורר את בהלתו: רק עוד מייל אחד עד היציאה לפּרינסטוֹן. הוא כמעט הגיע.
המכון למחקר מתקדם שוכן בתוך 3,000 דונם של גנים, במרחק קילומטר וחצי מהעיירה פּרינסטוֹן. במקום לנסוע ישר למכון, היגְס פנה לדרך עוקפת, נכנס אל העיירה והחנה את המכונית. הוא ניגש אל סניף דואר והחליף כמה מילים עם הפקיד. האיש הוציא מאחורי הדלפק את מעטפת היום הראשון של בולי שמונה סנט סגולים שיצאו באותו יום לציון יום הולדתו של אלברט איינשטיין (הוא נולד בתאריך ההוא בשנת 1879). על כל בול היתה מוטבעת תמונתו של הפיזיקאי הגדול, תמונה שצולמה עשרים שנה קודם לכן בידי פיליפּ הֶלְסְמַן, ידיד משפחה שהיה כלוא זמן־מה בבית כלא אוסטרי בעוון רצח אביו בטיול באלפּים. הבול הרגיז את היגְס, כי איינשטיין כונה בו "אמריקאי נודע". איינשטיין קיבל אומנם אזרחות אמריקאית ב־1940, אבל בעיני היגְס הוא היה אירופאי בכל רמ"ח איבריו. ובכל זאת, היגְס חשב שהמתנה תשַׂמֵח את חברו ומורו, ניקולס קֶמֶר באֶדינבּוֹרוֹ, והוא שלח אותה לסקוטלנד.
הערב כמעט ירד כשהיגְס הגיע למכון, ושם הוא וג'ודי פגשו את פרימן דַייסוֹן. השלושה התיידדו, והיגְס שכח עד מהרה את העצבנות שהשתלטה עליו בעת הנסיעה. כשגמרו לפטפט הלכו בני הזוג היגְס אל החדר שלהם ושקעו בשינה שהיתה נחוצה להם מאוד.
ההרצאה של היגְס נועדה להתקיים למחרת בארבע ורבע אחרי הצהריים. כשהגיע היגְס למקום, הוא ראה שדַייסוֹן עצמו עומד להרצות ראשון. זו היתה הרצאה מלומדת על יציבות החומר, אבל היא נגעה בשאלה פשוטה למדי: איך זה שהעצמים סביבנו נשארים שלמים אם הם מורכבים מאינספור חלקיקים שמוחזקים במקומם על־ידי כוחות שאומנם מאוזנים באיזון דק אבל עוצמתם אדירה? מדוע הספר הזה, שכמות עצומה של אנרגיה כלואה באטומים שלו, אינו קורע את עצמו פתאום לגזרים? למה הבגדים שעל גופכם לא מתפוצצים מעצמם להמוני חלקים תת־אטומיים?
דַייסוֹן סיכם את הרצאתו המבריקה ופתח את הדיון לשאלות. כצפוי, היושבים בקהל היו חריפים ומאתגרים. מיומנותם הושחזה במעין מסורת של המכון, שזיכתה את ההרצאות השבועיות שנערכו בו בשם המעניין "סמינרים של רובה ציד" ("shotgun seminars" - הכוונה לרובה כדוריות שלא יורים בו קליע גדול אחד, אלא רסס של קליעים קטנים, בתקווה שאחד או כמה מהם יפגעו במטרה). וזו היתה המסורת: מדי שבוע קיימה המחלקה הרצאה, אבל במקום להודיע על המרצה מראש, הקהל - והמרצה עצמו - גילו רק באותו היום מי הוא אמור להיות. כשהגיע הקהל, היו מעבירים כובע בין הנוכחים, וכל אחד היה שולף מתוכו פיסת נייר. מי שעלה בגורלו להוציא את הפתק האחרון, היה נותן את ההרצאה באותו היום. המטרה היתה להבטיח שכולם יהיו בכושר: מוכנים לתת הרצאה משלהם, אבל גם לצלות על הגריל את כל מי שיעלה לדַבֵּר.
כשהקהל מיצה את מאגר השאלות, הודיע דַייסוֹן על הפסקת תה ובישר כי האורח, פּיטר היגְס, יַרצה אחרי ההפסקה. היגְס יצא עם הקהל אל המזנון, ועל כוס תה נקלע לשיחה עם פיזיקאי גרמני ששמו קלאוס הֶפּ. השניים כבר נפגשו פעם אחת בבית־ספר קיץ בסקוטלנד ב־1960. בזמן שישבו ופטפטו הזכיר הֶפּ מאמר שעומד להתפרסם, שכתבו שלושה מדענים נחשבים מאוד: דניאל קַסְטְלֶר, דֶרֶק רוֹבּינסוֹן ואנדרה שְווייקָה. הֶפּ אמר שלצערו המאמר הזה הוא מכה קשה לתיאוריה של היגְס. "אין שום ספק", אמר הֶפּ כשהשניים שבו אל אולם ההרצאות. "משהו בתיאוריה שלך שגוי".
לפחות אוֹפּנהיימר לא היה בין הנוכחים. היגְס לא ידע אז, אבל המנהל המתעמר חלה בסרטן קשה, והיה עתיד לפרוש רשמית מכהונתו כעבור שלושה חודשים (הוא מת לאחר פחות משנה, ב־18 בפברואר 1967, בן 62). היגְס עלה על הבימה, סידר את ניירותיו והוליך את הקהל צעד אחר צעד בשבילי התיאוריה שלו. דַייסוֹן הקשיב רוב קשב. בריאיון איתו ב־2008 סיפר שעבודתו של היגְס נראתה לו יפה. כשסיים האורח את הרצאתו הורמו כמה ידיים באולם.
אף־על־פי שהיגְס היה קצת מוטרד בעניין ההרצאה, התנהגותו שידרה מידת־מה של ביטחון עצמי. הוא הכיר את המשוואות בתיאוריה שלו לִפְנַי ולִפְנים, עד כדי כך שיכול היה לחוש את משמעותן העמוקה. הוא היה משוכנע שהרעיונות שהוא מציג הגיוניים. זה לא אומר, כמובן, שהם נכונים. הרבה דברים אפשריים מבחינה תיאורטית ובכל זאת אינם מתממשים במציאות. אבל אם בתיאוריה שלו אין שום פגם, לפחות היא ראויה להתמודד עם תיאוריות אחרות המבקשות לתאר את מקור המסה.
השאלות של הקהל היו דקות־הבחנה, חקרניות, ביקורתיות, אבל אף אחת מהן לא חשפה טעויות בלוגיקה של התיאוריה. התיאוריה של היגְס עמדה במבחן הקשה ביותר עד אותו זמן. דַייסוֹן הודה להיגְס על ההרצאה והודיע על סיום הכינוס. הוא שמח שההרצאה עברה בשלום. לאחר זמן שמע היגְס שארתור וַייטמן, פיזיקאי בכיר שהיה בקהל, אמר לעמיתיו שכדאי להם לחזור ולבדוק את ה"הוכחה" שלהם, שסותרת את התיאוריה של היגְס. הוא האמין בכל מילה שהיגְס אמר.
למחרת, אחרי ארוחת צהריים עם דַייסוֹן, בני הזוג היגְס יצאו שוב לדרך. היתה לו הזמנה שנייה מאוניברסיטת הרווארד, שם עבד סידני קוֹלמן, פיזיקאי נודע וחובב תעלולים, והיגְס הסכים לקפוץ לשם לדיון פתוח לפני שישוב לצ'אפֶּל היל. ההרצאה נקבעה לשעות אחר הצהריים, וזה לא היה מפתיע. היה ידוע שקוֹלמן מחמיץ פגישות שנקבעו לשעות הבוקר, ופעם אחת הסביר שהוא לא יכול להרצות בתשע בבוקר כי הוא לא מצליח להישאר ער עד שעה כל־כך מאוחרת. קוֹלמן קיווה להשתעשע קצת על חשבון היגְס. לאחר זמן הודה שאמר לסטודנטים שלו שאיזה אידיוט בא לפגוש אותם, "ואתם עומדים לקרוע אותו לגזרים!"
המתקפה לא קרתה. ההרצאה של היגְס בהרווארד הפכה לדיון נלהב שכולם השתתפו בו. גם כאן התיאוריה צלחה את הביקורת בשלום. הקהל אולי קיווה בהתחלה לפרק אותה לחתיכות, אבל בסופו של דבר ההרצאה ריתקה אותם. התיאוריה של היגְס היתה נקודת מיפנה; אחד מאותם שלבים מכריעים שפותחים דלת אל עולם חדש של פיזיקה, שבו התגליות מחכות שיגלו אותן.
למדע יש היסטוריה ארוכה של בזבוז רעיונות מבריקים: הזמן לא נכון, ההסבר מסורבל, או שהרעיון לא זוכה לתשומת הלב של האנשים הנכונים. בכל אחד מהמקרים האלה, זינוק גדול בהבנה עלול להיות מושלך אל תהום הנשייה ולעכב את התקדמות המדע. במסע שנמשך פחות משבוע הבטיח היגְס שהתיאוריה שלו לא תיעלם כלעומת שבאה. לאט־לאט התחילו פיזיקאים אחרים לנסות להבין אותה. הם התחילו לדבר על מנגנון היגְס, על שׂדות היגְס, ועל החלקיק שקיומו יוכיח שכל אלה אמיתיים, בּוֹזוֹן היגְס.
בסתיו 1966 חזר היגְס לאֶדינבּוֹרוֹ והתמסר לעבודתו במרץ מחודש. מעל התיאוריה שלו ריחף סימן שאלה ברור. האם היא רק רעיון מבריק ולא יותר? אולי היא תחבולה מחוכמת שהטבע לא בחר בה? עכשיו היה צריך לקחת את הרעיון ולהראות איך הוא פועל בעולם האמיתי. כמו שהיא, התיאוריה היתה דלה בפרטים. היא הראתה איך חלקיקים חסרי־משקל היו יכולים לקבל מסה בראשית היקום, אבל ידיהם של הפיזיקאים היו עמוסות בחלקיקים טעוני־הסבר. לכמה מהם יש מסה ולכמה מהם אין. התיאוריה לא הבהירה לאילו חלקיקים שׂדה היגְס נותן מסה ומדוע.
התשובה היתה המפתח לאחת התגליות של המאה. קומץ פיזיקאים שהבינו באמת את הרעיון של היגְס שיערו שהוא סולל את הדרך אל מה שלדעת רבים היא הגדולה שבמטרות הפיזיקה. בערוב ימיו היה איינשטיין שקוע במאמץ אוֹבּססיבי להוכיח שכוחות הטבע, כגון האלקטרוֹמגנטיות והכבידה, היו בראשיתם חלק מכוח־על מקיף־כל, שהיה קיים לרגע קט בלידת היקום. מאז תהו הפיזיקאים אם יכולה להיות "תיאוריה מאוחדת גדולה" (Grand Unified Theory, או בקיצור GUT), תיאוריה שתגשים את חלומו של איינשטיין. התיאוריה של היגְס הסבירה איך הטבע יכול לקחת את כל החלקיקים ביקום ובמכה אחת לצווֹת על כמה מהם (מרכיבי החומר) לקבל מסה, ואת החלקיקים האחרים (כמו הפוֹטוֹנים) להשאיר חסרי־מסה. לפיזיקאים נראה שיש כאן רמז: אם רק יעֵזו לקדם את התיאוריה של היגְס עוד קצת, אולי יגלו סופסוף איך מאחדים את כל כוחות הטבע.