Artikel Ad Valvas: Higgs boson

10 juli 2012 - De bekendmaking van het nieuwe elementaire deeltje, het Higgs boson, maakte vorige week heel wat los. Onze man in Cern,  hoogleraar Experimentele Hoge Energiefysika Gerhard Raven, legt het belang ervan uit."Op 4 juli werd bekendgemaakt dat twee experimenten in de Large Hadron Collider (LHC), de ondergrondse deeltjesversneller van het CERN in Zwitserland, elk onafhankelijk van elkaar een nieuw elementair deeltje hebben ontdekt.  Het Higgs boson.

“We zien in onze data duidelijke aanwijzingen voor een nieuw deeltje”, aldus Fabiola Gianotti, woordvoerder van de ATLAS-collaboratie die één van de experimenten deed.  Het gaat om een voorlopig resultaat, maar het is “een sterk en solide signaal”, volgens Joe Incandela, woordvoerder van het andere experiment, CMS.
Het signaal is na twee jaar meten gevonden tussen de tientallen miljoenen botsingen die elke seconde geproduceerd worden door de deeltjesversneller.  De intensiteit van die botsingen is de laatste maanden flink omhoog gegaan: zo zijn er de laatste drie maanden net zoveel botsingen geweest als in heel 2011, en het is dankzij deze toename dat de wetenschappers nu deze ontdekking kunnen claimen.

Dubbel bewijs
Het Higgs-deelje is onstabiel, en vervalt (vrijwel) onmiddellijk tot andere deeltjes. ATLAS als CMS hebben elk gezocht naar Higgs die op twee verschillende manieren vervallen. Uit beide experimenten volgde een duidelijk signaal van elk van de twee vervalswijzen.

Het Higgs-deeltje is noodzakelijk om de theorie van de subatomaire deeltjes  compleet te maken. Dit zogeheten standaardmodel beschrijft, met veel succes, alle elementaire deeltjes en alle krachten die we kennen, met uitzondering van de zwaartekracht.  Het model was gebaseerd op een principe dat alleen werkt voor deeltjes zonder massa. Totdat Peter Higgs en een aantal anderen in 1964 een mogelijkheid vonden om massa te verklaren door deeltjes die a-priori zelf geen massa hebben maar in plaats daarvan voortdurend wisselwerken met het vacuüm. Dit vacuüm fungeert als een soort achtergrond die aangetoond kan worden door deze aan te slaan – een proces dat Higgs-deeltjes zou moeten produceren. Deze voorspelling is (eindelijk) experimenteel bevestigd.

De ontdekking van dit Higgs-deeltje is alsof een vis ontdekt dat er water is, door er golven in te maken. De ontdekking van Higgs deeltjes is bewijs voor het bestaan van het Higgs-veld, en dit Higgs-veld zorgt dat niet alle deeltjes met de lichtsnelheid bewegen. Net zoals water ervoor zorgt dat je trager wordt.  En elk type deeltje heeft daar in meer of mindere mate 'last' van, en heeft dus zijn eigen massa.

Zo groot als een voetbal

Maar niet alles is nu opgelost.  Volgens dezelfde theorie moet er ook energie in dit Higgs-veld, en dus in het vacuüm zitten. Zo veel zelfs dat het heelal eigenlijk nooit groter had kunnen worden dan een voetbal... Dus het is duidelijk dat het standaardmodel zeker niet het einde van dit verhaal kan zijn.  Het eerste wat daarom gepland is om de eigenschappen van dit nieuwe deeltje in detail te bepalen. Hopelijk vinden we op die manier aanwijzigen voor wat er nog 'achter' het standaardmodel verstopt zit.

Wetenschappers kijken nu uit naar het vervolg. CERN-directeur Rolf Heuer: "De ontdekking van een deeltje consistent met het Higgs-boson opent de weg naar meer gedetailleerde studies, en zal waarschijnlijk nieuw licht werpen op andere mysteries van ons universum". Ook Nikhef-directeur Frank Linde concludeert: "De ontdekking van de Higgs bekroont een theoretische speculatie van bijna een halve eeuw geleden. De Higgs opent de deur naar een beter begrip.

gammagamma  
Figure 1. Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of photons (dashed yellow lines and green towers). The event could also be due to known standard model background processes.

eemm
Figure 2.
Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently decays to a pair of electrons (green lines and green towers) and the other Z decays to a pair of muons (red lines). The event could also be due to known standard model background processes.

  

Over Nikhef
Het Nikhef is de thuisbasis van de Nederlandse onderzoekers op CERN. Het verricht onderzoek op het gebied van deeltjes- en astrodeeltjesfysica. Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en vier universiteiten: de Radboud Universiteit Nijmegen, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Vrije Universiteit Amsterdam. FOM maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Nikhef is gevestigd op Science Park Amsterdam."