Verrassingen van het higgsdeeltje

Nu fysici het higgsdeeltje beet hebben, begint de zoektocht naar de diepere geheimen van het deeltje. Heeft ‘higgs’ verrassingen in petto die leiden naar nieuwe natuurkundige terreinen?

Het higgsdeeltje is eindelijk gevonden. Dat was de wereldwijde conclusie nadat Cern afgelopen juli een nieuw deeltje vond dat sterk op het higgsdeeltje leek. Opvallend genoeg wilden deeltjesfysici die claim echter niet ondersteunen. ‘Afgaande op mijn intuïtie denk ik wel dat we ’m gevonden hebben’, zegt deeltjesfysicus Ivo van Vulpen, ‘maar dat wil niet zeggen dat het ’m ook is.’ Van Vulpen is verbonden aan het Nederlandse deeltjesinstituut NIKHEF. Ook is hij betrokken bij het ATLAS-experiment, een van de twee grote experimenten waarmee de Large Hadron Collider (LHC) van Cern naar het higgsdeeltje speurde.

Van Vulpen en andere fysici willen nog niet claimen dat zij beet hebben, omdat de eigenschappen van het gevonden deeltje nog niet zijn exact vastgesteld. ‘Van dit deeltje weten we nog niet precies wat het doet’, zegt hij. Hoewel Van Vulpen benadrukt dat de vondst van een deeltje dat lijkt op het higgsdeeltje op zich al ‘waanzinnig’ is, kan het daarom toch net anders zitten dan verwacht. Als het deeltje zich onverhoopt anders gedraagt, opent dat de deur naar ‘iets echt nieuws’, meent Van Vulpen. Het higgsdeeltje kan bijvoorbeeld voor verrassingen zorgen als het slechts één van meerdere higgsdeeltjes blijkt. ‘Er is een versie van het higgsmechanisme te bedenken waarbij sprake is van vijf verschillende higgsdeeltjes’, zegt Van Vulpen. De fysica waar dergelijke voorspellingen uit voortkomen, gaat voorbij aan het gewone standaardmodel. Dat standaardmodel vormt de wiskundige beschrijving van alle tot nog toe bekende deeltjes en hun onderlinge interacties. Toch menen sommige fysici dat er meer moet zijn.

In het voorbeeld van Van Vulpen met vijf higgsdeeltjes zou de huidige gegevensanalyse de deur kunnen openen naar de zogeheten supersymmetrie. Dat is een extra laag bovenop het standaardmodel, waarvan natuurkundigen menen dat het de wiskunde van het model net iets eleganter maakt. Volgens deze benadering heeft elk ‘gewoon’ deeltje een (veel) zwaardere supersymmetrische partner. Maar van die partners ontbreekt in de LHC tot nog toe ieder spoor.

‘Het simpelste higgsmechanisme werkt gewoon. Het kan complexer, maar dat hoeft niet’, zegt Van Vulpen. Om uit te zoeken welk deeltje nu gevonden is, zullen fysici de komende tijd vooral naar het verval van dat deeltje kijken. Het higgsdeeltje 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. Zo zal het higgsboson de ene keer opbreken in twee W- of Z-bosonen, maar de andere keer weer in twee elektronen of muonen. De crux is nu dat het standaardmodel – evenals de alternatieve modellen – heel exact voorspelt op welke manier een higgsdeeltje kan vervallen. Door vervolgens simpelweg te turven hoe vaak het higgsdeeltje in elk van de opties uiteenvalt, kunnen fysici bepalen welk type deeltje is gevonden.

Aanwijzingen dat turven de nodige verrassingen kan opleveren, zijn er al. Fysici vonden bijvoorbeeld iets opmerkelijks bij het CMS-experiment, het andere experiment waarmee de LHC naar ‘higgs’ zocht. Daar bleken veel te weinig higgsdeeltjes te vervallen tot twee zogeheten taudeeltjes, de zwaardere versies van elektronen. ‘Dat kan vooralsnog gewoon toeval zijn, maar ook een teken dat het iets anders zit dan verwacht’, zegt Van Vulpen. ‘Daarom is het nu belangrijk wat we voor dit vervaltraject meten met de ATLAS-detector. We hebben nog niet genoeg tijd gehad dat goed te bestuderen.’

Bovendien blijkt diezelfde ATL AS-detector tot nog toe net iets meer higgsdeeltjes te hebben gevonden dan vooraf werd verwacht, terwijl de CMSdetector er juist weer te weinig vond. ‘Dat is nu allemaal nog binnen de meetfout, dus er kan ook niets aan de hand zijn. Maar het zijn wel spannende ontwikkelingen’, zegt Van Vulpen. De kunst is daarom de komende tijd zoveel mogelijk meetgegevens te verzamelen, zodat eventuele conclusies statistisch steeds betrouwbaarder worden. ‘Met een optimistische schatting kunnen we eind dit jaar net zoveel nieuwe gegevens verzamelen als we daarvoor in totaal hebben gemeten’, zegt Van Vulpen.

De eenvoudigste manier om meer statistische zekerheid te krijgen, is de gegevens van de ATLAS- en CMS-experimenten op een hoop te gooien. Beide experimenten opereren namelijk compleet onafhankelijk van elkaar. ‘Ik hoop dat ze dat gaan doen’, zegt Van Vulpen. ‘We meten fysisch namelijk hetzelfde.’ Beide experimenten doen die metingen wel op een iets andere manier, maar, ‘die gegevens zijn goed te combineren.’

Een feestje met Higgs

Het higgsdeeltje komt voort uit het higgsveld, dat andere deeltjes massa geeft. Alleen in wiskundige termen is precies uit te leggen hoe dat gebeurt. Om het grote publiek toch een idee te geven van het higgsmechanisme, hanteren fysici vaak analogieën. Het higgsveld, zo stellen sommigen, is als een feestje met veel handtekeningjagers. Als George Clooney (of een andere bekende acteur of actrice) op het feest komt, wordt hij al snel belaagd en komt hij moeilijk vooruit. George Clooney is dan een ‘zwaar deeltje’. Als echter een volstrekt onbekende binnenkomt (een massaloos deeltje), ondervindt hij geen enkele last van de handtekeningjagers en kan hij zonder remming van de ene naar de andere kant bewegen.

Dit bericht is eerder verschenen in NWT Magazine