Higgs boson 10 jaar na de ontdekking waarom dit deeltje

Higgs boson: tien jaar na de ontdekking, waarom dit deeltje nieuwe fysica kan ontsluiten die verder gaat dan het standaardmodel

Persconferentie voor de aankondiging van de ontdekking van het Higgs boson. Cern

Tien jaar geleden maakten wetenschappers de ontdekking bekend van het Higgs boson, dat helpt verklaren waarom elementaire deeltjes (de kleinste bouwstenen van de natuur) massa hebben. Voor deeltjesfysici was dit het einde van een tientallen jaren durende en enorm moeilijke reis – en aantoonbaar het belangrijkste resultaat in de geschiedenis van het vakgebied. Maar dit einde markeerde ook het begin van een nieuw tijdperk in de experimentele fysica.

In het afgelopen decennium hebben metingen van de eigenschappen van het Higgs boson de voorspellingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica (onze beste theorie voor deeltjes) bevestigd. Maar er zijn ook vragen gerezen over de beperkingen van dit model, zoals de vraag of er een fundamentelere natuurtheorie is.

Afbeelding van Peter Higgs.

Natuurkundige Peter Higgs.
wikipedia, CC BY-SA

De natuurkundige Peter Higgs voorspelde het Higgs boson in een reeks verhandelingen tussen 1964 en 1966, als een onvermijdelijk gevolg van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het geven van massa aan elementaire deeltjes. Volgens deze theorie zijn de deeltjesmassa’s het gevolg van de wisselwerking van elementaire deeltjes met een veld, dat het Higgs-veld wordt genoemd. En volgens hetzelfde model zou een dergelijk veld ook aanleiding moeten geven tot een Higgs deeltje – wat betekent dat als het Higgs boson er niet zou zijn, dit uiteindelijk de hele theorie zou vervalsen.

Maar het werd al snel duidelijk dat het ontdekken van dit deeltje een uitdaging zou zijn. Toen drie theoretische natuurkundigen de eigenschappen van een Higgs boson berekenden, sloten zij af met een verontschuldiging. “We verontschuldigen ons tegenover de experimentalisten voor het feit dat we geen idee hebben wat de massa van het Higgs-boson is … en dat we niet zeker zijn van zijn koppelingen met andere deeltjes … Om deze redenen willen we geen grote experimentele zoektochten naar het Higgs-boson aanmoedigen.”

Het duurde tot 1989 voor het eerste experiment met een serieuze kans om het Higgs boson te ontdekken, zijn zoektocht begon. Het idee was om deeltjes met zo’n hoge energie tegen elkaar te laten botsen dat een Higgs deeltje kon worden gecreëerd in een 27 km lange tunnel in Cern in Genève, Zwitserland – de grootste elektron-positron (een positron is bijna identiek aan een elektron maar heeft een tegengestelde lading) collider ooit gebouwd. De machine heeft 11 jaar gedraaid, maar de maximale energie bleek slechts 5% te laag om het Higgs boson te produceren.

Intussen was de meest ambitieuze Amerikaanse botser in de geschiedenis, het Tevatron, begonnen met het verzamelen van gegevens in Fermilab, dicht bij Chicago. Het Tevatron liet protonen (die samen met neutronen de atoomkern vormen) en antiprotonen (bijna identiek aan protonen, maar met tegengestelde lading) botsen met een energie die vijf keer zo hoog was als wat in Genève was bereikt – zeker genoeg om de Higgs te maken. Maar proton-antiprotonbotsingen produceren veel brokstukken, waardoor het veel moeilijker is om het signaal uit de gegevens te halen. In 2011 werd het Tevatron stopgezet – het Higgs boson ontsnapte opnieuw aan detectie.

In 2010 begon de Large Hadron Collider (LHC) protonen te laten botsen met zeven keer meer energie dan het Tevatron. Uiteindelijk, op 4 juli 2012, hadden twee onafhankelijke experimenten in Cern elk genoeg gegevens verzameld om de ontdekking van het Higgs boson te verklaren. In het jaar daarop wonnen Higgs en zijn medewerker François Englert de Nobelprijs “voor de theoretische ontdekking van een mechanisme dat bijdraagt tot ons begrip van de oorsprong van de massa van subatomaire deeltjes”.

Dit doet het bijna tekort. Zonder het Higgs boson valt het hele theoretische raamwerk dat de deeltjesfysica op zijn kleinste schalen beschrijft uit elkaar. Elementaire deeltjes zouden massaloos zijn, er zouden geen atomen zijn, geen mensen, geen zonnestelsels en geen structuur in het heelal.

Problemen aan de horizon

Toch heeft de ontdekking nieuwe, fundamentele vragen opgeworpen. Experimenten in Cern zijn doorgegaan met het onderzoeken van het Higgs boson. De eigenschappen ervan bepalen niet alleen de massa’s van elementaire deeltjes, maar ook hoe stabiel ze zijn. De huidige resultaten wijzen erop dat ons heelal zich niet in een perfect stabiele toestand bevindt. In plaats daarvan zou het heelal, net als ijs bij het smeltpunt, plotseling een snelle “faseovergang” kunnen ondergaan. Maar in plaats van van een vaste stof naar een vloeistof te gaan, zoals ijs dat in water verandert, zou dit een cruciale verandering van de massa’s – en de natuurwetten in het heelal – inhouden.

Het feit dat het heelal desondanks stabiel lijkt, suggereert dat er misschien iets ontbreekt in de berekeningen – iets dat we nog niet hebben ontdekt.

Na een onderbreking van drie jaar voor onderhoud en upgrades, staan botsingen bij de LHC nu op het punt om te worden hervat met een ongekende energie, bijna het dubbele van de energie die is gebruikt om het Higgs-boson te detecteren. Dit zou kunnen helpen bij het vinden van ontbrekende deeltjes die ons universum wegbrengen van de schijnbare mes-edge tussen stabiel zijn en snel een faseovergang ondergaan.

Het experiment zou ook andere vragen kunnen helpen beantwoorden. Zouden de unieke eigenschappen van het Higgs boson het een toegangspoort kunnen maken tot het ontdekken van donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de materie in het universum uitmaakt? Donkere materie is niet geladen. En het Higgs boson heeft een unieke manier van interactie met ongeladen materie.

Dezelfde unieke eigenschappen hebben natuurkundigen doen afvragen of het Higgs boson misschien toch niet een fundamenteel deeltje is. Zou er een nieuwe, onbekende kracht zijn die verder gaat dan de andere natuurkrachten – zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke en sterke kernkrachten? Misschien een kracht die tot dusver onbekende deeltjes bindt tot een samengesteld object dat we het Higgs boson noemen?

Beeld van het LHC experiment in Cern.

Het is 10 jaar geleden dat de Higgs werd ontdekt.
D-VISIONS/Shutterstock

Dergelijke theorieën kunnen helpen om de controversiële resultaten van recente metingen aan te pakken, die suggereren dat sommige deeltjes zich niet precies gedragen zoals het standaardmodel suggereert dat ze zouden moeten doen. De studie van het Higgs boson is dus van vitaal belang om uit te zoeken of er buiten het standaardmodel nog nieuwe fysica te ontdekken valt.

Uiteindelijk zal de LHC op hetzelfde probleem stuiten als het Tevatron. Botsingen met protonen zijn rommelig en de energie van de botsingen reikt maar tot een bepaald punt. Ook al beschikken we over het volledige arsenaal van de moderne deeltjesfysica – met inbegrip van geavanceerde detectoren, geavanceerde detectiemethoden en machinaal leren -, er is een grens aan wat de LHC kan bereiken.

Een toekomstige hoge-energie collider, specifiek ontworpen om Higgs bosonen te produceren, zou ons in staat stellen om de belangrijkste eigenschappen van het Higgs boson nauwkeurig te meten, inclusief hoe het Higgs boson interageert met andere Higgs bosonen. Dit zou op zijn beurt bepalen hoe het Higgs boson interageert met zijn eigen veld. De bestudering van deze interactie zou ons dus kunnen helpen het onderliggende proces dat de deeltjes massa’s geeft te onderzoeken. Elk verschil tussen de theoretische voorspelling en een toekomstige meting zou een glashelder teken zijn dat we een geheel nieuwe fysica moeten uitvinden.

Deze metingen zullen een diepgaande invloed hebben die veel verder reikt dan de botsingsfysica, en ons begrip van de oorsprong van donkere materie, het ontstaan van ons heelal – en misschien zijn uiteindelijke lot – sturen of inperken.

De Conversatie

Martin Bauer is universitair hoofddocent aan het Institute for Particle Physics Phenomenology (IPPP) aan de Durham University. Hij ontvangt financiering van UKRI via een Future Leaders fellowship. Het IPPP wordt gefinancierd door de Science and Technology and Facilities Council (STFC). Martin Bauer is lid van de STFC Science Board.

Stephen Jones is assistent-professor aan het Institute for Particle Physics Phenomenology (IPPP) van de Durham University. Hij ontvangt financiële steun van de Royal Society via een University Research Fellowship. Het IPPP wordt gefinancierd door de Science and Technology and Facilities Council (STFC).