In 2012 liet deeltjesfysicalab CERN het higgsboson los op de wereld, een deeltje met sterrenstatus én een Belgische connectie. Een decennium later is de rol van het higgs nog niet uitgespeeld: het kan een bijdrage leveren aan toekomstige doorbraken in de fysica.
Beeld: Het higgsboson, vernoemd naar de inmiddels overleden Britse fysicus Peter Higgs, werd na decennia zoeken ontdekt door de Large Hadron Collider in CERN.
Als Fabiola Gianotti en Joe Incandela zich er al van bewust waren dat ze een historische presentatie gaven op 4 juli 2012, dan lieten ze dat toch niet te hard blijken. De woordvoerders van CERN in Genève begonnen met een uitputtende technische uitleg over het onderzoekswerk waar hun teams jaren mee bezig waren geweest, en over de zorgvuldige data-analyse.
Pas op de 64ste slide van Incandela’s presentatie stond, onopvallend tussen andere gegevens, het getal waarnaar iedereen had uitgekeken: 5 sigma. Voor ingewijden betekende het zoveel als: ‘Eureka! Nieuw deeltje ontdekt!’ Meer bepaald het higgsboson, een deeltje waarnaar fysici al decennia speurden.
Een echte verrassing was het natuurlijk niet. Waarom zou CERN anders de wereldpers optrommelen om te luisteren naar twee teams die al jaren op zoek waren naar het higgsdeeltje? Temeer omdat CERN onder anderen François Englert en Peter Higgs had uitgenodigd, twee van de pioniers die bijna een halve eeuw eerder hadden voorspeld dat het deeltje moest bestaan.
Belgische primeur
Het deeltje is vernoemd naar de Brit Peter Higgs – een beetje tot verdriet van de Belgische natuurkunde. François Englert van de Université Libre de Bruxelles was de eerste die in 1964 het inzicht publiceerde, samen met zijn intussen overleden collega Robert Brout.
Pogingen om namen als ‘Brout-Englert-Higgs-boson’ ingang te doen vinden, hebben maar beperkt succes gekend. Het is tien jaar later nog steeds het higgsboson of higgsdeeltje. Englert en Higgs deelden in 2013 wél de Nobelprijs.
In tegenstelling tot bekendere deeltjes als het elektron is het higgsdeeltje geen bestanddeel van alledaagse materie. Maar het moet bestaan volgens het zogeheten standaardmodel, de succesvolle theorie waarmee fysici de materiedeeltjes en meeste bekende natuurkrachten beschrijven. Het standaardmodel had al eerder het bestaan van nieuwe deeltjessoorten voorspeld, en allemaal waren die ook daadwerkelijk in het lab gevonden.
Het higgsboson was het laatste nog ontbrekende deeltje, de ‘sluitsteen’ van het standaardmodel. Bovendien speelt het een belangrijke rol in het mechanisme dat volgens het standaardmodel een reeks andere deeltjes van massa voorziet – het is verantwoordelijk voor een deel van jouw massa.
Onmiddellijk na de aankondiging in 2012 was er nog enig voorbehoud of het ontdekte deeltje wel echt het langvoorspelde higgsboson was. Het kon misschien ook een ander nieuw deeltje zijn, dat er toevallig op leek. Maar die twijfel werd door nieuwe metingen snel weggewerkt. Het higgsdeeltje is echt, en het is precies wat de theoretici voorspeld hadden.
Rammelend standaardmodel
Het higgsboson heeft definitief zijn plaats verworven in de handboeken en de deeltjestabellen. Maar dat betekent niet dat zijn rol bij nieuwe ontdekkingen in de fysica is uitgespeeld.
Deeltjesfysici vermoeden al lang dat het standaardmodel niet het laatste woord kan zijn in hun discipline. Zo zit er in de hele catalogus van deeltjessoorten van het standaardmodel geen enkel type deeltje dat echt in aanmerking komt om donkere materie te verklaren. Dat is een mysterieuze, onzichtbare soort materie waarvan er volgens sterrenkundigen zó veel moet zijn in het heelal dat ze de bouw van hele melkwegstelsels en groepen melkwegstelsels beheerst. En het standaardmodel heeft helemaal niets te vertellen over de zwaartekracht, een van de vier fundamentele natuurkrachten.
Daarom zijn fysici druk op zoek naar aanwijzingen over wat er voorbij het standaardmodel ligt. Experimentatoren doen al wat ze kunnen om het model op een foutje te betrappen. Ze proberen de eigenschappen van de bekende deeltjes en natuurkrachten zo nauwkeurig mogelijk te meten, en ze observeren deeltjes in de meest extreme omstandigheden die ze in het lab kunnen opwekken.
En inderdaad lijkt het standaardmodel de laatste tijd aan alle kanten te kraken en te rammelen. Vorig jaar werd een afwijking vastgesteld in het magnetisme van het muon, een elektronachtig deeltje. En in april publiceerden Amerikaanse fysici resultaten die erop wijzen dat het W-deeltje zwaarder is dan het standaardmodel voorspelt.
Spin in het web
In het standaardmodel hangen de massa’s en andere eigenschappen van de deeltjessoorten allemaal met elkaar samen. Je kan niet zomaar de massa van één deeltje zoals het W wat bijstellen, want dan kloppen de eigenschappen van ándere deeltjes niet meer (in dit geval het higgsboson en de top-quark). Dat netwerk van relaties tussen de deeltjes biedt de fysici een uitgelezen kans om het hele standaardmodel op de proef te stellen. En het higgsboson zit met zijn vele connecties met andere deeltjes als een spin in het web.
Enkele van de verklaringen die al zijn voorgesteld voor het overgewicht van het W hebben direct met het higgsdeeltje te maken. Zo bestaan er misschien verschillende soorten higgsdeeltjes – in tegenstelling tot de ene soort van het standaardmodel. Of higgsdeeltjes zouden weer uit andere deeltjes kunnen zijn samengesteld. Ook bij het identificeren van eventuele nog niet ontdekte deeltjessoorten die de donkere materie vormen zou het higgsboson een rol kunnen spelen.
De komende decennia zullen fysici nog wel vaker heuglijke mededelingen kunnen doen. En op de een of andere manier zal het higgsdeeltje daarbij betrokken zijn.
