Nieuw deeltje ontdekt, maar is het een Higgs-boson?

Het onderzoekcentrum CERN bevestigt dat een nieuw deeltje is ontdekt, maar het is niet zeker of het gevonden deeltje daadwerkelijk het lang gezochte Higgs-boson is, of een exotische look-a-like.

Tijdens een CERN-conferentie presenteerden LHC-experimenten ATLAS en CMS hun meest actuele resultaten van de zoektocht naar het Higgs-boson. Beide experimenten hebben een nieuw deeltje geobserveerd in het massagebied rond 125-126 GeV (giga-elektronvolt). 

Het nieuws lekte eigenlijk gisteren al uit - ondanks het strenge embargo dat CERN aan haar medewerkers had opgelegd, maar is nu bevestigd. Joe Incandela, woordvoerder van het CMS experiment, zei dat de onderzoekers met grote zekerheid iets hebben gezien. Of dat 'iets' ook het lang gezochte Higgs-boson is, wilde hij niet gezegd hebben. 'Daarvoor moeten we de eigenschappen van het ontdekte deeltje verder onderzoeken', verduidelijkt Pierre Van Mechelen van de Universiteit Antwerpen en betrokken bij het CMS-experiment. 'Wel zeker is dat het om een 'boson' gaat, een deeltje dat - net zoals van het Higgs wordt verwacht - vervalt naar twee fotonen en een massa heeft rond 125 gigaelektronvolt, ongeveer 125 keer zwaarder dan een proton en een half miljoen keer zwaarder dan een elektron.'

Dat is dezelfde waarde die CERN eind vorig jaar bekendmaakte, toen op basis van minder gegevens en dus met minder statistische zekerheid. Om een ontdekking te claimen, hanteren de wetenschappers een sigmaschaal van vijf punten. Eén sigma betekent dat het verre van zeker is dat de resultaten niet het gevolg zijn van puur toeval. 

Drie sigma - de waarde van de resultaten eind vorig jaar - is een geldige observatie, maar alleen bij een vijf sigma spreken de onderzoekers van een officiële ontdekking. In dat geval is er een kans van amper 0,00006% dat ze ernaast zitten. 

Het resultaat dat vandaag door CMS werd voorgesteld heeft een score van 4,9 sigma, dat van ATLAS 5 sigma. De kans dat deze resultaten toeval zijn, is kleiner dan één op een miljoen, een zuivere ontdekking dus.
 

Conclusie van het CMS-experiment.

Conclusie van het ATLAS-experiment

'Tot gisteren werd intern besproken of we mochten spreken van een ontdekking', zei de Antwerpse deeltjesfysicus Nick van Remortel kort na de bekendmaking. 'Maar wanneer twee onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar dit resultaat bereiken, dan kunnen we niet anders dan met zekerheid zeggen dat we een nieuw elementair deeltje hebben ontdekt. Met de gegevens van CMS en ATLAS bijeen is de kans dat de vondst berust op toeval minder dan een op een miljard.'

Op het CERN-seminarie heerste een euforische stemming, alsof de onderzoekers net het WK voetbal hadden gewonnen. 'Dit is een historische dag voor deeltjesfysica en de wetenschap in het algemeen. We hebben een mijlpaal bereikt in ons begrip van de natuur', zei CERN-directeur Rolf Heuer. 'De ontdekking van een deeltje dat consistent is met het Higgs-boson opent de weg naar nieuwe kennis over de vele mysteries van ons universum.'

Ook de bedenkers van de Higgs-theorie, waaronder Peter Higgs en François Englert, kwamen even aan het woord. Peter Higgs: 'Ik had nooit gedacht dat dit deeltje nog tijdens mijn leven gevonden zou worden.' Een geëmotioneerde François Englert van de Université Libre de Bruxelles (ULB) bedankte ook zijn vorig jaar overleden collega Robert Brout: 'Het is jammer dat hij dit niet meer mag meemaken.'


De Belg François Englert en de Schot Peter Higgs.

Higgs of iets anders?
Ondanks de ‘ontdekking’ is de Higgs-queeste dus nog niet voorbij. Het is immers niet zeker of het gevonden deeltje daadwerkelijk het lang gezochte Higgs-boson is, of een exotische look-a-like. Om dat te begrijpen moet je eerst weten hoe de fysici naar het Higgsdeeltje zoeken. 

Met de grote deeltjesversneller LHC sturen wetenschappers protonen in tegenovergestelde richting en met een bijna lichtsnelheid op elkaar af. Wanneer twee protonen botsen, komt zoveel energie vrij dat Higgs-bosonen kunnen ontstaan.

De deeltjes zijn echter zo instabiel dat ze al na een miljardste van een miljardste van een miljardste van een seconde terug uiteenvallen in andere deeltjes. Higgs zelf zal daarom nooit waargenomen worden, wel de deeltjes waarin het uiteenvalt. Het Standaardmodel zegt hoe het Higgsdeeltje uit elkaar moet vallen. Er zijn drie manieren: twee Z-deeltjes, die weer vervallen in elektronen of muonen; twee W-deeltjes, die weer vervallen in elektronen of muonen en twee neutrino's en twee fotonen (lichtdeeltjes). Als die vervalproducten gevonden worden, is het bewijs voor het bestaan van het Higgsdeeltje geleverd.

Nick van Remortel van de Universiteit Antwerpen: 'De onderzoekers van CMS hebben sinds 2011 in drie miljard botsingen met zekerheid de juiste onderdelen gevonden om het bestaan van een Higgs-boson te bevestigen. Die onderdelen zouden ook van een ander nog onbekend deeltje afkomstig kunnen zijn. Om zeker te zijn moeten we de eigenschappen van het ontdekte deeltje verder onderzoeken.'

'Daarvoor is in de eerste plaats meer data nodig. De experimenten met de LHC gaan daarom door tot eind 2012. Tegen dan zullen we de nu beschikbare data verdubbelen, en zullen we uitsluitsel hebben of we effectief met het Higgs-boson te maken hebben, en zelfs of er mogelijk verschillende Higgs-bosonen bestaan.'

Hawking verliest 100 dollar
Fysicus Stephen Hawking had gewed met Gordon Kane van Michigan University dat het belangrijke Higgs-boson niet zou worden gevonden. ‘De grote sprongen in de fysica zijn altijd al gekomen van dingen die we niet hadden verwacht. Daarom had ik gewed’, zei Hawing. ‘Het lijkt erop dat ik 100 dollar kwijt ben’. Hawking wenste Peter Higgs de Nobelprijs toe, ‘maar het is een beetje jammer dat het Higgs-boson ontdekt is net zoals het werd voorspeld.’



Wat is het Higgs-boson?
Begin jaren zestig van de vorige eeuw bedachten theoretici, waaronder de Schot Peter Higgs en de Belgen Robert Brout en François Englert, een extra energieveld dat verklaart waarom sommige deeltjes massa hebben en andere niet. Dat 'Higgsveld' is de soep waardoor alle andere deeltjes bewegen, en zo massa krijgen. 

Je kan het vergelijken met een propvolle festivalweide, waarbij alle onbekende mensen op het terrein Higgsdeeltjes voorstellen en jij en je vrienden andere deeltjes zoals quarks en elektronen - de kleinste bouwstenen van atomen. Je kunt niet zomaar vrij over het terrein rennen omdat de mensenmassa - het Higgsveld - je voortdurend afremt in je beweging. Een bekend persoon die zich door de massa probeert te wurmen - bijvoorbeeld een bekende rockster of voetballer - zal het nog lastiger hebben om zich te verplaatsen omdat hij of zij ook nog eens voortdurend aangeklampt wordt door handtekeningjagers. Het Higgs-mechanisme werkt op een gelijkaardige manier in op het allerkleinste niveau. Sommige deeltjes worden sterk door het Higgsveld afgeremd en hebben veel massa, andere minder.

Het Higgsveld ontstond een biljardste van een seconde nadat de oerknal het universum op gang had geschoten. Daarvoor waren alle elementaire deeltjes in de kosmos compleet gewichtloos en raasden ze aan de snelheid van het licht in het rond. Zonder het Higgsveld zou dat nog altijd zo zijn, en zouden de kleine elementaire bouwstenen niet kunnen samenblijven om sterren, planeten en uiteindelijk alle leven te vormen. Er zijn ook deeltjes die ongevoelig zijn voor het Higgsveld, zoals fotonen of lichtdeeltjes. Dergelijke deeltjes zijn gewichtloos en bewegen aan de snelheid van het licht.


Lees het persoonlijke verslag van CERN-onderzoeker Pieter Everaerts op ons blogportaal Scilogs.

Interviews met de geestelijke vaders van het Higgs-boson Peter Higgs en François Englert