Maak kennis met het higgsdeeltje

Het is nu zeker. Fysici in Cern hebben afgelopen juli inderdaad higgsdeeltjes gevonden. Zij hopen dat het nieuwe deeltje ook nog wat verrassingen in petto heeft.

Het heette eerst nog cryptisch ‘een deeltje dat lijkt op het higgsdeeltje’, maar mag het nu definitief gewoon een higgsdeeltje heten. Dat meldden fysici verbonden aan onderzoeksinstituut Cern over het deeltje dat zij afgelopen juli in de deeltjesversneller Large Hadron Collider vonden.

‘Deze vondst is een kroon op ons werk’, zegt fysicus Ivo van Vulpen van het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef en de Universiteit van Amsterdam. De vondst legt volgens hem een stevig fundament onder het standaardmodel, de wiskundige beschrijving van alle elementaire deeltjes en hun onderlinge interacties.

De naamsverandering volgde op een analyse van hoe het higgsdeeltje vervalt. Het deeltje is namelijk zo onstabiel dat het, vrijwel direct nadat het wordt gevormd, alweer uit elkaar valt in andere deeltjes. En dat kan op veel verschillende manieren.

Daarbij letten fysici onder meer op het gewicht van de deeltjes. Het standaardmodel voorspelt dat het higgsdeeltje relatief vaak in zware deeltjes uit elkaar moet vallen, in percentages die vooraf nauwkeurig te berekenen zijn. ‘Dat blijkt in de metingen aardig te kloppen’, stelt Van Vulpen, die tevens betrokken is bij het ATLAS-experiment, een van de twee grote experimenten waarmee de LHC naar het higgsdeeltje speurde.

Een andere cruciale check was de bepaling van een belangrijke quantummechanische eigenschap van het deeltje, de zogeheten spin, die bij het higgsboson een waarde moest hebben van nul. De wiskunde die schuilt achter het standaardmodel bepaalt namelijk onder welke hoeken de deeltjes waarin het higgsdeeltje vervalt weg moeten schieten, als het deeltje inderdaad een spin van nul heeft. En ook hier bleek na analyse van de meetgegevens dat het higgsdeeltje zich waarschijnlijk gedroeg zoals voorspeld door het standaardmodel.

Desondanks meent Van Vulpen dat er meer moet zijn. Nog niet alle eigenschappen van het higgsdeeltje zijn nauwkeurig gecontroleerd en dus is het nog niet te zeggen of het higgsdeeltje uiteindelijk honderd procent zal conformeren aan de complete lijst met eigenschappen die het standaardmodel voorspelt. Dat is overigens ook de reden dat fysici wel spreken van ‘een higgsdeeltje’, maar nog niet van ‘hét higgsdeeltje’.

Van Vulpen: ‘Dit kan het niet zijn, dit is niet genoeg. Er moet meer schuilgaan achter het higgsdeeltje.’ Want er zijn nog heel veel dingen waarvoor het standaardmodel geen verklaring biedt. Het kan bijvoorbeeld niet verklaren waar donkere materie vandaan komt, de mysterieuze vorm van materie die sterrenkundigen waarnemen in ons universum, maar waarvan nog niemand precies weet wat het is.

Toch zijn er, voor wie buiten het standaardmodel durft te zoeken, al wel verklaringen te vinden. Een van die verklaringen is te vinden in de supersymmetrie, een extra laag bovenop het standaardmodel, waarvan fysici menen dat het de wiskunde van het model net iets eleganter maakt. Volgens die benadering heeft elk ‘gewoon’ deeltje een (veel) zwaardere supersymmetrische partner. En daar zit volgens Van Vulpen ook een deeltje tussen dat zou kunnen gelden als hoofdbestanddeel van donkere materie.

Bovendien stelt de theorie dat er niet één higgsdeeltje is, maar vijf, waarvan het nu gevonden deeltje de lichtste is. Bestaan die extra deeltjes, dan moeten de aanwijzingen daarvoor te vinden zijn in het verval van het reeds gevonden higgsdeeltje. De supersymmetrie voorspelt namelijk kleine verschuivingen in de hoeveelheden waarmee het higgsdeeltje in deeltje A of deeltje B vervalt. ‘Als we die afwijkingen waarnemen, is dat een hint dat er meer moet zijn’, stelt Van Vulpen. Maar daarvoor moet eerst meer en nauwkeuriger worden gemeten.

Toch doken de eerste aanwijzingen dat er met het higgsdeeltje iets vreemds aan de hand is, al direct na de vondst in juli op. Zo bleek het deeltje bijvoorbeeld verrassend vaak te vervallen in twee fotonen. Dat lijkt misschien vreemd, omdat fotonen helemaal geen massa hebben en het higgsdeeltje juist vaker vervalt in deeltjes met een hoge massa. Dat het toch kan, komt omdat higgsdeeltjes eerst virtueel kunnen vervallen tot zogeheten W-bosonen, die weer kunnen vervallen tot fotonen. Die W-bosonen worden daarbij niet echt gemaakt, maar dienen desondanks als noodzakelijke tussenstap.

Het zou echter ook kunnen dat het deeltje tussenstappen nam via nog niet ontdekte nieuwe deeltjes, die bijvoorbeeld te zwaar zijn om echt te maken, maar wel virtueel ‘even’ kunnen ontstaan. Wanneer dat het geval zou zijn, zou het higgsdeeltje bovenmatig vaak in twee fotonen vervallen – precies wat in juli werd waargenomen.

Helaas bleek het overschot de laatste maanden na meer metingen te slinken, al zien zowel de ATLAS- als de CMSdetector nog steeds iets te hoge aantallen – spannend, maar verre van doorslaggevend, meent Van Vulpen.

Net zoiets gebeurde met twee andere waarnemingen die in juli nog veelbelovend leken. Zo verviel het higgsdeeltje in de CMS-detector bijvoorbeeld minder vaak naar Tau-deeltjes dan voorspeld, maar bleek dat na meer metingen wel mee te vallen.

Datzelfde geldt voor de waarneming dat de ATLAS-detector meer higgsdeeltjes vond dan je vooraf zou verwachten. ‘We zien ook nu nog meer higgsbosonen’, zegt Van Vulpen, ‘maar niet zoveel dat er reden is tot paniek.’

Toch zijn er nog genoeg mogelijkheden voor wie net als Van Vulpen verwacht dat het higgsdeeltje de deur zal openen naar nieuwe verklaringen voor onbegrepen verschijnselen. Al is geduld voorlopig nog wel geboden.

Op dit moment staat de LHC uit, zodat hij in 2014 met een hogere energie deeltjes kan afvuren. En hoewel dat ervoor zorgt dat de versneller straks meer higgsdeeltjes kan maken, zorgt het ook voor problemen. ‘Straks kunnen we in een wolk van een miljard deeltjes niet twintig botsingen, maar wel veertig botsingen doen. Het wordt daardoor steeds lastiger om al die botsingen uit elkaar te houden’, zegt Van Vulpen. ‘We zijn hard bezig daarvoor nieuwe strategieën te bedenken.’

Alle resultaten van het ATLAS-experiment zijn openbaar en na te lezen op https://twiki.cern.ch/twiki/ bin/view/AtlasPublic

Dit bericht is eerder verschenen in NWT Magazine