De Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Genève heeft op die dag uitsluitsel gegeven over het bestaan van het higgsboson: de zoektocht naar de heilige graal van de natuurkunde is succesvol geweest.
Tien jaar later is het goed om eens terug te kijken naar waar het toen allemaal om ging. Ik heb daarom via zoom afgesproken met Bryan Kortman (sinds kort promovendus bij CERN) en Ivo van Vulpen (deeltjesfysicus van de Universiteit van Amsterdam). Met hen wil ik het hebben over wat dat higgsboson precies is, waarom de vondst zo opwindend was en wat er sindsdien gebeurd is in de deeltjesfysica.
Het higgsboson en de ontdekking
Om maar met de deur in huis te vallen: wat is het higgsboson?
Ivo: “Er was, eind vorige eeuw, een probleem met het zogenaamde standaardmodel van de materie. Dat model geeft een beschrijving van alle bekende elementaire deeltjes zoals elektronen, neutrino’s en quarks en van hun onderlinge interacties. Alles wat we weten over die deeltjes zit daarin en het is daarmee de kern van onze kennis over de fundamenten van de natuur. Het model staat. Maar het probleem was dat dit model voorspelt dat die deeltjes geen massa kunnen hebben. En dat hebben ze duidelijk wel, want daardoor kunnen ze samenklonteren en uiteindelijk atomen maken.”
“Om dat probleem op te lossen gebruiken natuurkundigen het higgsmechanisme dat in 1964 ontwikkeld werd door Peter Higgs, François Englert en Robert Brout. Dat mechanisme is nu opgenomen in het standaardmodel en zegt dat er een zogenaamd higgsveld bestaat. Bij het begrip veld kun je denken aan een elektrisch veld dat zorgt voor elektromagnetische verschijnselen. Dat higgsveld zorgt door interacties met andere deeltjes voor de massa van deze deeltjes. Verder volgt uit de quantumveldeneheorie dat je van ieder veld een deeltje kan maken, een zogenaamde aangeslagen toestand. Wil je weten of een veld bestaat dan moet je zo’n deeltje detecteren. Wat we nu in feite gedaan hebben is uit dat higgsveld een tot dan toe onbekend deeltje produceren, het higgsboson.”
In figuur 1 zie je een weergave van het standaardmodel.
Hoe kan ik me dat voorstellen: een deeltje dat door interacties massa veroorzaakt?
Bryan: “Het precieze antwoord daarop zit in nogal ingewikkelde wiskunde. Maar het volgende beeld kan helpen het te begrijpen. Als je op een mooie dag over het strand rent, kun je je gemakkelijk voortbewegen. Ga je echter in zee rennen, dan gaat het heel moeilijk. Door de weerstand van het water lijkt het alsof je meer massa hebt, alsof je trager bent. In de natuurkunde noemen we dat effectieve massa, voor een buitenstaander lijkt het alsof je meer massa hebt. En die ontstaat dus door de interactie met je omgeving, het water.”
Ivo vult aan: “Tegelijkertijd kun je dan begrijpen dat niet alle deeltjes even zwaar zijn. Want een vis beweegt zich wel snel door het water, die heeft weinig last van het water en lijkt dus ‘lichter’. Met dit mechanisme weten we nu hoe alle bekende deeltjes aan hun massa komen en dat die massa’s verschillend zijn. En dat verklaart de opwinding van de ontdekking, die was zo groot omdat hiermee ineens een wezenlijk probleem voor het hele model opgelost was. Eerdere bevestigingen van voorspellingen uit het standaardmodel over bijvoorbeeld het interactiedeeltje van de zwakke kernkracht, of het bestaan van de top en bottomquark waren natuurlijk ook zeer belangrijk, maar betroffen slechts een deel van het model.”
Hoe was het om deel te nemen aan deze ontdekking?
Ivo: “Wij als natuurkundigen hadden zeer goede redenen om aan te nemen dat het higgsboson moest bestaan. Alles wees eigenlijk in die richting. Maar het was nog ‘maar’ een idee, een voorspelling. In de natuurkunde is het zo dat pas als je iets meet, als je iets waarneemt, dan is het echt. En dat gebeurde met het higgboson tien jaar geleden!”
In figuur 2 zie een simulatie van hoe het higgsboson is waargenomen. Het deeltje zelf is instabiel en vervalt via veel bekende deeltjes. Wil je meer weten over de principes van deze waarnemingen, dan kun je dit artikel lezen.
Antwoorden vinden die nog niemand heeft.
Welke ontwikkelingen zijn er sindsdien geweest?
Bryan: “Na de eerste ontdekking is het higgsboson vele malen vaker waargenomen en daardoor weten we heel goed wat de energie van het deeltje is, in vaktermen: dat is 125 GeV/c2. Maar we weten nog niet of alle voorspelde eigenschappen ook echt kloppen. Daar is nog heel veel onderzoek voor nodig. Het was bijvoorbeeld voorspeld dat er af en toe deeltjes ontstaan met een iets hogere massa, weer in vaktermen: de piek in de grafiek heeft een staart naar hogere energie. We wisten niet of we die goed zouden kunnen zien. Dat blijkt toch te kunnen en dat geeft nieuwe onderzoeksmogelijkheden en daar ga ik me nu mee bezighouden. We willen met zekerheid kunnen vaststellen dat de massa van het higgsboson soms hoger is.”
Ivo: "Intussen zijn de theoretisch fysici ook al met dat idee bezig. Het vermoeden bestaat dat er meer dan een type higgsboson is. En het zou best eens zo kunnen zijn dat die hogere energie een aanwijzing is voor het bestaan daarvan.”
Wat betekent dit voor jullie?
Bryan: “Om die andere higgsbosonen te kunnen waarnemen, zijn er verschillende mogelijkheden. We kunnen langer meten met de LHC, dan ontstaan er ook meer ‘afwijkende’ higgsbosonen. Maar we kunnen ook andere analysemethoden gebruiken, zodat we deze deeltjes beter uit de al bestaande waarnemingen kunnen filteren. Dat is het mooie van deelnemen aan dit soort onderzoek. Het ligt niet vast wat de juiste methode is. Er zijn veel zaken waarvan niemand nog weet hoe het moet. Je moet daarom heel creatief zijn om oplossingen te vinden.
Wat ook mooi is, is dat we metingen doen en uitgebreide analyses maken, zodat we kunnen komen met antwoorden, dat wil zeggen nieuwe verschijnselen of eigenschappen van deeltjes waarvan nog niemand weet wat het precies betekent. Je zou kunnen zeggen: we vinden dan antwoorden op vragen die nog niemand heeft.”
Ivo: “Het is een soort paradigmashift. De afgelopen jaren deden we veel metingen om theoretische vermoedens te bevestigen of te ontkrachten. We keken eigenlijk altijd naar hoe goed de metingen met de theorie van het standaardmodel overeenkwamen. Het higgsboson is daar wel het mooiste voorbeeld van. Maar nu zouden we het kunnen omdraaien. Met de LHC blijven we metingen doen en gebruiken we steeds betere analysemethoden om onder meer de eigenschappen van het higgsboson te bepalen. Mogelijke afwijkingen kunnen dan wijzen op nieuwe (tot nu toe onbekende) fenomenen die in de theorie een rol spelen. Als iemand met een nieuwe theorie komt, kan die dan ‘makkelijker’ kijken of de gegevens van de LHC iets kunnen vertellen over deze theorie. Daar komen dan resultaten uit die niet verwacht of vermoed werden. Dat vergt een sterke samenwerking tussen experimentele en theoretische natuurkundigen.”
