Tien jaar Higgs-deeltje – wissenschaft.de

Op 4 juli 2012 – tien jaar geleden – kondigden natuurkundigen van het CERN-onderzoekscentrum bij Genève een baanbrekende ontdekking aan: door botsingen bij de Large Hadron Accelerator (LHC) ontdekten ze het langverwachte Higgs-deeltje – het deeltje dat alles geeft zijn massa. Het bestaan ​​van dit elementaire deeltje en zijn veld bevestigde de theorie die zo’n 50 jaar geleden door veel natuurkundigen naar voren werd gebracht – en die een aantal fundamentele vragen in de deeltjesfysica beantwoordde. Natuurkundigen hebben het afgelopen decennium veel geleerd over het Higgs en zijn interacties, maar enkele fundamentele vragen over dit deeltje en zijn effecten blijven onbeantwoord.

Zonder massa zou het heelal er heel anders uitzien en zou onze wereld waarschijnlijk helemaal niet bestaan. Alleen massa en de interacties van elementaire deeltjes zoals quarks en hun bijbehorende elektronen maken materie mogelijk. Maar waar halen deze elementaire deeltjes hun massa vandaan? Het standaardmodel van de deeltjesfysica – de basis van onze fysieke kijk op de wereld – bood lange tijd geen antwoord. De vraag was ook open waarom de dragerdeeltjes van de zwakke kernkracht, de W- en Z-bosonen, massa hebben in tegenstelling tot alle andere dragers van de fundamentele krachten. Pas in het begin van de jaren zestig kwamen veel theoretische fysici met een mogelijke oplossing voor deze vragen, waaronder Robert Prout en François Englert in België en Peter Higgs in Groot-Brittannië. Onafhankelijk van elkaar kwamen ze tot de conclusie dat een onzichtbaar veld dat het hele universum doordringt het probleem kan oplossen. Volgens de theorie kan dit scalaire veld, nu bekend als het Higgs-veld, interageren met de samenstellende deeltjes van materie en de W- en Z-bosonen, waardoor ze hun massa krijgen.

In een bekende analogie vergelijkt de Britse natuurkundige David Miller dit Brout-Englert-Higgs-mechanisme met een cocktailparty. Als een belangrijke figuur de kamer binnenkomt, verzamelt zich snel een groep andere gasten om hem heen. Beroemdheden kunnen door alle mensen nauwelijks vooruit komen – vergelijkbaar met een hoog-massadeeltje dat alleen met veel energie kan worden versneld. Volgens de theorie, als het Higgs-veld bestaat, moet het ook worden gemanifesteerd door een deeltje, het Higgs-deeltje. “Wat is de beste manier om het standaardmodel te verzoenen met de gemeten gegevens van dit model? Peter Higgs verklaarde in 2004 dat als er geen Higgs-deeltje is, de hele theorie zinloos is. Je moet op zoek naar het Higgs-deeltje.”

Natuurkunde leraar…

Op 4 juli 2012 was het dan eindelijk zover: wetenschappers van het CERN Research Center maakten het langverwachte resultaat bekend: het schijnbare signaal van het Higgs-deeltje werd onafhankelijk van elkaar gedetecteerd op de twee grote detectoren van de LHC-deeltjesversneller, ATLAS en CMS. Volgens de gegevens had deze een massa van 125 GeV. Dit past goed bij het bereik van massa waarin eerdere zoekopdrachten het Higgs-deeltje suggereerden. Dit kan worden aangetoond door een ‘bult’ in de vervalproductencurve, gegenereerd door fotonparen of Z-bosonen die vrijkomen tijdens het Higgs-verval. Beide resultaten bereikten een significantie van meer dan vijf standaarddeviaties en voldeden dus aan de vereisten voor formele deeltjesontdekking. “De ontdekking van het Higgs-deeltje was een mijlpaal in de deeltjesfysica”, zegt Fabiola Gianotti, directeur-generaal van CERN. “Het markeerde het einde van een decennium van onderzoek en het begin van een nieuw tijdperk in de studie van dit specifieke deeltje.” In 2013 kregen François Englert en Peter Higgs de Nobelprijs voor de Natuurkunde omdat ze vertegenwoordigers waren van de theoretische natuurkundigen die het Higgs-mechanisme ontdekten en het Higgs-deeltje voorspelden.

Ondertussen gingen er tien jaar voorbij waarin wetenschappers, voornamelijk bij de LHC, het gedrag en de eigenschappen van het Higgs-deeltje bleven onderzoeken. Een cruciale vraag was of dit nieuw ontdekte deeltje ook interageerde met andere deeltjes op de manier waarop het theoretisch was voorspeld. Bij het bewijzen van de Higgs had men uit verval al vastgesteld dat er zo’n interactie is met andere krachtdeeltjes zoals fotonen en bosonen W en Z. In 2016 vond de zogenaamde Yukawa-interactie, de Higgs-koppeling met materievormende deeltjes zoals quarks en leptonen, werd voor het eerst aangetoond. En een andere voorspelling kwam uit: volgens de theorie zou de koppeling van het Higgs-deeltje aan zeer zware elementaire deeltjes zoals de top-quark sterker moeten zijn – en zo krijgt het zijn enorme massa. In 2018 demonstreerden natuurkundigen van CERN deze sterke koppeling met een top-quark. “Deze ontdekking is een mijlpaal in de zoektocht naar het Higgs-deeltje”, zegt Karl Jacobs, woordvoerder van de ATLAS-samenwerking. “We hebben nu alle koppelingen van het Higgs-deeltje met zware quarks en leptonen van de derde generatie waargenomen en ook alle soorten die belangrijk zijn voor het genereren van dit deeltje.”

…en veel onbeantwoorde vragen

Dit betekent echter niet dat alle vragen over het Higgs-deeltje zijn beantwoord. “In veel opzichten staat experimentele verkenning van de Higgs-sector nog in de kinderschoenen”, aldus Gavin Salam van de Universiteit van Oxford en collega’s in een commentaar op Nature. Zo is nauwelijks onderzocht of het Higgs-deeltje paren met lichtere elementaire deeltjes en zogenaamde tweede generatie deeltjes van fermionen, waaronder het muon, de zwaardere ‘broer’ van het elektron. Er zijn ook enkele onbeantwoorde vragen over het Higgs-deeltje zelf. Het is dus onduidelijk of dit deeltje met zichzelf kan interageren. Als er sprake is van een zogenaamde drievoudige koppeling, kunnen de frequentie en de energieën waarmee deze optreedt licht werpen op de vraag of het Higgs-veld de voorspellingen van het standaardmodel volgt of dat er ruimte is voor “nieuwe fysica” in de vorm van onontdekte deeltjes of krachten. Het is ook onduidelijk of het Higgs-deeltje een echt ondeelbaar elementair deeltje is of dat het uit andere, tot nu toe onbekende deeltjes bestaat.

De vele onbeantwoorde vragen over het Higgs-deeltje houden nauw verband met enkele van de grootste mysteries in de natuurkunde – donkere materie, de dominantie van materie over antimaterie, of de vraag of er kort na de oerknal een fase van extreem snelle expansie was. was de zogenaamde kosmische inflatie. “Zelfs als het standaardmodel alle experimentele tests tot nu toe heeft doorstaan, laat het dergelijke fundamentele vragen onbeantwoord”, leggen Salam en collega’s uit. “Het Higgs-deeltje wordt in verschillende mate geassocieerd met mogelijke oplossingen voor deze mysteries.” Natuurkundigen hopen dat de derde periode van de LHC bij CERN, die op 5 juli 2022 begint, in ieder geval een deel van de antwoorden op deze vragen zal geven. Omdat hun meer energetische botsingen en extra verbeterde gevoeligheid van de detectoren ook nieuwe mogelijkheden bieden voor het onderzoeken van Higgs en hun verval. “We zullen de sterkte van de interacties van het Higgs-deeltje met materie meten en de deeltjes met ongekende precisie forceren, en we zullen ook blijven zoeken naar het verval van het Higgs-deeltje in donkere materie-deeltjes en naar andere vormen van het Higgs-deeltje”, zegt Andreas Höcker. ATLAS Samenwerkingswoordvoerder.

Bron: CERN, Gavin Salam (Universiteit van Oxford, VK) et al, Nature, doi: 10.1038/s41586-022-04899-4

© wissenschaft.de – Nadia Podebrigar