Spanning stijgt weer rond Higgsdeeltje

Komende woensdag 4 juli presenteert CERN in Melbourne, Australië, een update van haar jacht op het Higgs-boson. Net zoals bij vorige persconferenties stijgt ook nu weer de spanning: is het deeltje eindelijk gevonden, of bestaat het met zekerheid niet?

Eind vorig jaar kondigden fysici van ATLAS en CMS, de twee onafhankelijke ‘Higgs-speurders’ aan het CERN, aan dat ze het Higgsdeeltje heel kort op de hielen zaten. Als het deeltje bestaat, dan zou het een massa hebben die ligt tussen 115 en 130 GeV. Alleen was dat resultaat nog niet overtuigend genoeg. Om absoluut zeker te zijn, werden de experimenten in maart 2012 hervat. Dat zorgde ondertussen voor een verdubbeling van de hoeveelheid data sinds december vorig jaar, en dat zou voldoende moeten zijn om een definitief besluit te maken.

Higgs-boson?
Begin jaren zestig van de vorige eeuw bedachten verschillende theoretici, waarbij 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: het Higgsveld. Dat veld is eenvoudig gezegd een dikke soep van Higgs-deeltjes, waar alle andere deeltjes zoals quarks en elektronen - de kleinste bouwstenen van atomen - doorheen moeten, en zo massa krijgen. Dit heet het Higgs-mechanisme. Het Higgsveld remt niet alle deeltjes af. Lichtdeeltjes, fotonen, ontsnappen aan het veld waardoor ze gewichtloos zijn en aan de snelheid van het licht kunnen bewegen.

Volgens de theorie verscheen het Higgsveld een biljardste van een seconde nadat de oerknal het universum op gang had geschoten. Daarvoor waren alle deeltjes in de kosmos compleet gewichtloos en raasden ze aan de snelheid van het licht in het rond. Daarom is het Higgsveld cruciaal voor het ontstaan van het universum. Zonder het Higgsveld zouden de kleine elementaire bouwstenen niet kunnen samenblijven om sterren, planeten en uiteindelijk alle leven te vormen.

Experiment
Om de theorie van Higgs, Brout en Englert aan de praktijk te toetsen, bootsen onderzoekers omstandigheden van vlak na de oerknal na. Alleen hoge-energiedeeltjesbotsers, zoals Tevatron en de Large Hadron Collider, hebben een kans om het higgsdeeltje te maken.

Met de grote deeltjesversneller LHC sturen wetenschappers twee bundels van subatomaire deeltjes van de familie van ‘hadronen’ (loodkernen of –ionen) in tegenovergestelde richting en met een bijna lichtsnelheid op elkaar af. Wanneer twee hadronen botsen, komt zoveel energie vrij dat Higgs-bosonen kunnen ontstaan. Toch voor een fractie – een miljardste van een miljardste van een miljardste – van een seconde. Een Higgsdeeltje is zeer onstabiel waardoor het na verschijning weer razendsnel uiteenvalt in andere deeltjes. In die brokstukken zoeken de fysici naar sporen die kunnen wijzen op het bestaan van het Higgsdeeltje.

Het zoeken naar het higgsdeeltje bij het Tevatron concentreert zich op een andere vervalsproducten dan de zoektocht bij de LHC. Net zoals een verkoopautomaat wisselgeld in verschillende combinaties van munten terug kan geven, kunnen higgsdeeltjes in theorie in verschillende combinaties van andere deeltjes vervallen. Bij de LHC kunnen de experimenten het verval van higgsdeeltjes in fotonen en Z-deeltjes het makkelijkst zien. Bij het Tevatron kan higgsverval in paren van b-quarks het makkelijkst worden gezien.

Absolute zekerheid
Om de resultaten van de speurtocht naar het Higgs-boson te ‘quoteren’, 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 is een geldige observatie, maar alleen bij een vijf sigma mogen de onderzoekers een officiële ontdekking claimen. In dat geval is er maar één op een miljoen kans dat het resultaat het gevolg is van toeval.

Het Tevatron eindresultaat van 2 juli 2012 heeft 2,9 sigma zekerheid dat de massa van het Higgs-boson, als het bestaat, 125±7 gigaelektronvolt bedraagt, ongeveer 130 keer zwaarder dan een proton en een half miljoen keer zwaarder dan een elektron.

De ATLAS-groep van het CERN had eind vorig jaar 2,9 sigma zekerheid dat het Higgs-boson 126 gigaelektronvolt weegt. De andere, onafhankelijke onderzoeksgroep van het CERN, CMS, had dan weer 3,1 sigma zekerheid dat het deeltje een massa heeft van 124 gigaelektronvolt. Om meer gegevens te verzamelen, en zo de sigmascore te kunnen verhogen, werden de experimenten in maart 2012 hervat. Dat zorgde ondertussen voor een verdubbeling van de hoeveelheid data sinds december vorig jaar, wat voldoende zou moeten zijn om een definitieve conclusie te maken. Woensdag 4 juli weten we meer.

Wat als het bestaat?
Zelfs als woensdag blijkt dat het Higgs-boson met zekerheid bestaat, is het Higgs-verhaal nog lang niet af. ‘De LHC is een echte ontdekkingsmachine, maar schiet tekort om de eigenschappen van het Higgs-boson meer in detail te onderzoeken’, zei de Antwerpse deeltjesfysicus Nick van Remortel, die betrokken is bij de zoektocht aan het CERN, eind vorig jaar in Eos.

‘Daarvoor zal een nieuw type versneller nodig zijn. Nu laten we gigantische “protonvuilniszakken” in de deeltjesversneller in tegenovergestelde richting rondjes draaien. Dat verhoogt de kans op botsingen, waarbij een Higgs-boson kan ontstaan, maar ook tien miljoen andere deeltjes. In die brokstukken speuren we nu naar het onbekende Higgs. Om het deeltje, nadat het gevonden is, in detail te onderzoeken hebben we een lineaire versneller (ILC) nodig.’

‘Daarin vuren we uit twee revolvers – in dit geval elektronenversnellers - van op 15 kilometer afstand twee kogels - elektronen en hun antideeltjes positronen - met vrijwel de lichtsnelheid op elkaar af. Dat moet in rechte lijn omdat elektronen in de bochten van de LHC te veel energie zouden verliezen. Ergens in het midden moeten die elektronenbundels dan tegen elkaar botsen. Als dat lukt, levert elke botsing voldoende energie (1TeV) op om een zuiver Higgs-boson te produceren, zonder alle rommel die we in de LHC nu wel zien. De technologie die nodig is voor zo’n lineaire versneller is wel een pak hoogstaander – en dus duurder – dan de LHC.’

Wat als het niet bestaat?
Als we woensdag te horen krijgen dat het Higgs-boson niet bestaat, dan hoeft dat geen ontgoocheling te zijn. ‘In dat geval schort er iets aan een theorie die in de voorbije decennia meermaals experimenteel is bevestigd’, aldus Nick van Remortel. ‘Dan gaat voor ons natuurkundigen een hele nieuwe wereld open. Als het Higgs niet bestaat, moeten er andere, misschien onbekende, deeltjes of natuurkrachten verschijnen. Dat betekent compleet nieuwe fysica.’

Rechtstreeks verslag
U kunt de mogelijke ontknoping van de spannende Higgs-saga woensdag rechtstreeks volgen via een webcast van het CERN. Uiteraard zorgt de Eos-redactie voor een uitgebreid verslag op onze website en in ons iPad-weekblad. Betrokken CERN-onderzoekers Pierre Van Mechelen en Nick van Remortel zorgen op Scilogs voor een persoonlijk verslag.