Het Higgsdeeltje 5 vragen over het meest gezochte deeltje ooit

Hét hoogtepunt van de natuurkunde in 2012 was ongetwijfeld de bekendmaking van deeltjeslab CERN dat ze naar alle waarschijnlijkheid het Higgsdeeltje gevonden hebben. Wat is het deeltje ook alweer en waarom willen we dat vinden? Kennislink zet in één dossier nog eens alles voor je op een rij.

Higgs-sporen in deeltjesbotsing. CERN

“Ik denk dat we hem hebben”, waren de woorden van CERN-directeur Rolf Dieter Heuer toen hij op 4 juli 2012 de vondst van een Higgsachtig deeltje bekendmaakte. Mocht het echt om het Higgsdeeltje gaan, zou het één van de grootste ontdekkingen van de afgelopen vijftig jaar zijn. Honderden natuurkundigen hebben hun leven gewijd aan het zoeken naar dit ene deeltje. Miljarden euro’s zijn er tegenaan gegooid. Maar waarom ook alweer? Wat maakt dit deeltje zo bijzonder? In vijf vragen (en antwoorden) ben je weer helemaal bijgepraat.
1. Wat is het Higgsdeeltje?
2. Waarom heet het deeltje zo?
3. Wat maakt dit deeltje zo belangrijk?
4. Hoe kun je het deeltje aantonen?
5. Klopt het dat het Higgsdeeltje nu is gevonden?

1. Wat is het Higgsdeeltje?

In één zin: het Higgsdeeltje helpt verklaren hoe andere deeltjes hun massa krijgen. Dat is althans wat je meestal hoort. Maar wat betekent dit nu eigenlijk? Centraal staat het concept van massa. Massa zegt hoeveel ‘spul’ iets bevat. Dat wij massa hebben lijkt vanzelfsprekend, net als dat jij meer massa hebt dan een hond en dat de zon vele malen meer massa heeft dan jij en een hond bij elkaar. Vanzelfsprekend misschien, maar ook essentieel: zonder massa zouden we niet bestaan. Dan zou alles met de lichtsnelheid kriskras door elkaar vliegen, zonder dat er eens iets ‘stabiels’ overblijft.
Kortom, de vraag is: waarom bestaat er zoiets als massa? Of beter, hoe komen de elementaire deeltjes waaruit wij en alle andere materie is opgebouwd aan hun massa? De oplossing van natuurkundigen is iets wat we het Higgsmechanisme noemen. Dit zegt dat er een energieveld bestaat, het Higgsveld, dat zich over het hele universum uitstrekt. Voor ons onzichtbaar, maar voelbaar voor elementaire deeltjes. Dit veld werkt als een soort enorme strooppot: deeltjes worden erdoor afgeremd. En iets dat moeilijker vooruitkomt is in feite zwaarder. Zo voelt een kast die je verplaatst over het tapijt zwaarder dan als je deze over ijs zou duwen. In welke mate een deeltje door het veld wordt afgeremd, bepaalt hoe ‘zwaar’ het is. Sommige deeltjes, zoals het foton, merken niets van het veld en zijn dus ‘massaloos’.

Een metafoor van het Higgsveld, zoals ooit bedacht door natuurkundige David Miller. Het idee: tijdens een borrel waarbij mensen gelijk verdeeld over de ruimte staan te kletsen stapt ineens een beroemd persoon binnen (hier Albert Einstein). Tijdens diens beweging naar de bar drommen voortdurend mensen om hem heen, zodat hij moeilijker vooruitkomt, en soort van zwaarder is dan normaal. De mensen in de zaal vormen hier dus het Higgsveld.

Higgsboson?

Vaak wordt ook gesproken van een ‘Higgsboson’, maar wat wordt hiermee bedoeld? Je kunt deeltjes verdelen in twee typen: fermionen en bosonen. Het onderscheid ligt vrij complex, maar in algemene zin kun je zeggen dat materie is opgebouwd uit fermionen en dat bosonen de krachten (de energievelden dus) overbrengen.

Maar het gaat toch altijd om het Higgsdeeltje, denk je misschien. Dat klopt, volgens de quantummechanica komt de interactie van een veld – in dit geval het vertragen – neer op het uitwisselen van een bij dat veld horend deeltje. Zo is het foton verantwoordelijk voor de effecten van het elektromagnetische veld. In het geval van het Higgsveld is dat het Higgsdeeltje. Dat ze naar dit deeltje zoeken bij CERN is dus in feite omdat het aantonen ervan bewijst dat er zoiets als een Higgsveld bestaat. En dus dat het idee van natuurkundigen over hoe deeltjes aan hun massa komen klopt.

Peter Higgs lijkt van de ‘Gang of Six’ het meest zeker van een Nobelprijs. University of Edinburgh

2. Waarom heet het deeltje zo?

Het Higgsdeeltje is vernoemd naar de Schotse natuurkundige Peter Higgs, die in 1964 een beschrijving gaf van wat we nu het Higgsmechanisme noemen. Maar zoals bij zoveel wetenschappelijke ontdekkingen was hij niet de enige die een rol speelde. Vaak wordt gesproken van de zogeheten Gang of Six: een groep van zes natuurkundigen die rond dezelfde tijd met dit mechanisme op de proppen kwamen.
Voortbouwend op het werk van onder andere Yoichiro Nambu en Phil Anderson beschreven de Belgen Robert Brout en Francois Englert in augustus 1964 voor het eerst een veld dat massa geeft aan andere deeltjes. Enkele maanden later publiceerde Higgs zijn artikel waarin hij tevens melding maakte van een deeltje dat bij zo’n veld hoorde (overigens pas na aandringen van de redacteur van het tijdschrift). Kort daarna kwam het drietal Dick Hagen, Gerald Guralnik en Tom Kibble met een derde, meer completere beschrijving van het Higgsmechanisme.

Nobelprijs-dilemma’s

Mocht er een Nobelprijs uitgereikt worden aan de ontdekking van het Higgsdeeltje, wie moet hem dan ontvangen? De prijs kan aan maximaal drie mensen uitgereikt worden. Brout is inmiddels overleden, dus dat maakt het iets makkelijker. Een veelgehoorde suggestie: sowieso Englert en Higgs. Englert omdat hij met Brout de eerste was, en Higgs omdat hij het als eerste over een deeltje had. En de derde plek? Dat is aan het Nobelcomité. Misschien iemand van CERN voor de zoektocht naar het deeltje?

Dat tegenwoordig alleen nog de naam van Higgs aan het deeltje verbonden wordt is te danken aan de Koreaanse natuurkundige Ben Lee die eind jaren zestig sprak van een ‘Higgsdeeltje’. Op de een of andere manier werd dat opgepikt door anderen. Neemt niet weg dat er nog altijd gekibbeld wordt over de naamgeving. Niet zo gek natuurlijk nu mogelijk een Nobelprijs in het verschiet ligt (zie kader hiernaast).
In 2010 ontstond bijvoorbeeld een klein relletje toen Brout, Englert en Higgs wel werden uitgenodigd voor een conferentie over het Higgsdeeltje, maar Guralnik, Hagen en Kibble niet. En dit jaar nog gingen serieus stemmen op het deeltje de naam ‘BEH-boson’ (naar Brout, Englert en Higgs) of het meer anonieme ‘SM boson’ te geven (naar het Standaardmodel). Het heeft weinig kans, daarvoor is het ‘Higgsdeeltje’ te ingeburgerd.

3. Wat maakt dit deeltje zo belangrijk?

Het belang van het Higgsdeeltje voert in feite terug tot die ene belangrijke vraag: waar is de wereld om ons heen uit opgebouwd? Welke basisbouwstenen bestaan er die zelf niet meer uit kleinere deeltjes bestaan? In de loop van de twintigste eeuw is deze verzameling van ‘elementaire deeltjes’ stap voor stap groter geworden. De complete beschrijving hiervan kennen we nu als het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het Standaardmodel in schematische vorm. De paarse deeltjes zijn de quarks, leptonen zijn groen en de krachtdeeltjes blauw. De verticale kolommen vormen de generaties. Fermilab

Even in het kort: de deeltjes die de materie vormen, kun je in twee categorieën onderverdelen: quarks en leptonen, elk in zesvoud. Deze twaalf deeltjes komen in drie zogenoemde generaties voor. De eerste staat voor de deeltjes waar wij mee te maken hebben, dus de up- en downquark (vormen protonen en neutronen), het elektron en diens neutrino. De tweede en derde generatie zijn zwaardere, en veel zeldzamere soorten deeltjes. Tevens heeft elk materiedeeltje een antideeltje, met tegengestelde lading.
Daarnaast zijn er ook deeltjes die de fundamentele natuurkrachten overbrengen, bosonen genoemd. Zo is er het foton dat verantwoordelijk is voor de elektromagnetische kracht en heb je de gluonen voor de sterke kernkracht. In totaal zijn er twaalf bosonen.
Dat maakt bij elkaar 36 elementaire deeltjes en 3 natuurkrachten. Dan missen we er nog één: inderdaad, het Higgsdeeltje. Ook de theorie van het Higgsveld en het bijbehorende deeltje vallen onder het Standaardmodel, als de verklaring voor de massa van de elementaire deeltjes. Alle elementaire deeltjes van het Standaardmodel zijn inmiddels in experimenten aangetoond, behalve het Higgsdeeltje. Vandaar dat het Higgsdeeltje wel eens het ontbrekende puzzelstukje wordt genoemd. Met de vondst van het Higgsdeeltje zou het Standaardmodel zoals we het nu kennen compleet zijn.
Alleen, het Standaardmodel is niet een complete beschrijving van het universum. Zo ontbreekt bijvoorbeeld de zwaartekracht in het model, en ook de deeltjes die de mysterieuze donkere materie vormen vinden we niet terug. Onder natuurkundigen heerst dan ook wel eens de hoop dat het Higgsdeeltje niet exact is als het Standaardmodel voorspelt – in jargon: een Standaardmodel-Higgs – maar onverwachte, exotischere eigenschappen heeft die de deur openen naar een eventuele uitbreiding van het Standaardmodel.

4. Hoe kun je het Higgsdeeltje aantonen?

Higgsdeeltjes ontstaan niet zomaar. Om het bestaan ervan aan te tonen moet je ze zelf maken. Daar heb je energie voor nodig, veel energie. Om die reden is de Large Hadron Collider bij deeltjeslab CERN gebouwd, een ondergrondse, ringvormige deeltjesversneller van 27 kilometer in omtrek. Inderdaad, dit miljarden kostende project is voornamelijk bedoeld om het Higgsveld aan te tonen.

Zoektocht van 50 jaar

1964: Peter Higgs beschrijft het mechanisme en het deeltje waardoor materie zijn massa krijgt.
2001: Na vijf jaar naar Higgs gezocht te hebben sluit de Large Electron-Positron Collider (LEP), de voorganger van de LHC. De metingen sluiten een Higgs lichter dan 115 GeV uit.
2004: De Amerikaanse Tevatron-versneller van Fermilab zet strengere limieten op het deeltje: tussen 117 en 251 GeV.
2007: Tevatron brengt de bovengrens verder naar beneden, tot 153 GeV.
2008: De eerste protonen versnellen door de LHC-versneller van CERN, al is het plezier van korte duur. Een heliumlek zorgt dat de versneller een jaar moet sluiten.
2009: Terwijl de LHC stil ligt, zeggen onderzoekers van Tevatron 50 procent kans te hebben het Higgsdeeltje eind 2010 aan te kunnen tonen.
2010: Geruchten duiken op dat een sterke aanwijzing voor Higgs is gevonden door Tevatron, maar ze blijken onterecht.
2011: Wederom opwinding als opvallende signalen lijken te zijn gevonden, nu in de LHC. De Tevatron sluit in september, waarna CERN in december sterke aanwijzingen toont voor een Higgs rond 125 GeV.
2012: In juli maakt CERN bekend een deeltje te hebben ontdekt dat sterk doet denken aan het Higgsdeeltje.

In de LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en op elkaar gebotst. De energie die hierbij vrijkomt is zo enorm dat allerlei nieuwe deeltjes, waaronder het Higgsdeeltje, gevormd kunnen worden. Het is alsof er een menukaart bestaat met deeltjes waarbij voor elk deeltje een hoeveelheid energie nodig is. Maak je die hoeveelheid, dan heb je kans dat je gewenste deeltje gemaakt wordt.
De nieuwe deeltjes die gevormd worden, ook een eventueel Higgsdeeltje, zullen echter zeer snel vervallen naar andere, stabielere deeltjes. De enorme detectoren die staan opgesteld langs de ring, in het geval van de Higgs-zoektocht zijn dat de detectoren ATLAS en CMS, vangen de brokstukken op van de botsingen. Vervolgens is het dus zaak hieruit te reconstrueren welke deeltjes moeten zijn gevormd. Stel je een kruispunt voor waar allerlei auto’s op elkaar zijn gebotst en dat je hieruit moet zien uit te vinden hoe het ongeluk stap voor stap tot stand kwam.
Het Standaardmodel vertelt op welke manieren een Higgsdeeltje gevormd kan worden, maar ook op welke manieren het kan vervallen, en in welke verhoudingen. Onderzoekers van CERN zoeken dus in de bergen data die de versneller oplevert naar sporen van deze vervalreacties. Dat is als het zoeken naar het speld in een hooiberg, want deze vervalreacties kunnen ook door andere deeltjes veroorzaakt worden. Hoe weet je zeker dat daar een Higgsdeeltje is gevormd en niet toevallig iets anders?
Door het experiment maar vaak genoeg te herhalen totdat het patroon zichtbaar wordt. Als je een muntje tien keer opgooit en er komt acht keer kop, dan kun je dat nog toeval noemen. Doe je het honderd keer en je hebt tachtig keer kop, dan begin je te vermoeden dat er iets met de munt is. Bij achthonderd keer kop uit duizend worpen weet je vrijwel zeker dat het geen toeval meer is. Zo is het ook bij het zoeken naar aanwijzingen voor het Higgsdeeltje. In deeltjesexperimenten ligt de lat voor een ontdekking echter bijzonder hoog. De kans dat het om een toevalstreffer gaat moet kleiner zijn dan 1 op 3.500.000.

Een meting geregistreerd door de CMS-detector. Mogelijk zien we hier het verval van een Higgsdeeltje naar twee Z-bosonen. Een daarvan vervalt naar een paar elektronen (groene lijnen) en de ander in een paar muonen (rood). CMS

Het probleem bij het Higgsdeeltje was dat zijn precieze massa niet uit het Standaardmodel berekend kon worden. In de afgelopen jaren is men dus in eerste instantie bezig geweest de massa’s die het Higgsdeeltje níet kan hebben uit te sluiten. Zo werd het net rondom het deeltje steeds verder gesloten, tot in december vorig jaar de LHC een eerste sterke aanwijzing toonde dat het Higgsdeeltje een massa had rond 125 GeV (giga-elektronvolt, de standaardeenheid voor massa in de deeltjesfysica), ongeveer 133 keer de massa van een proton. De nieuwste metingen in juli maakten het signaal nauwkeurig genoeg om officieel te spreken van ‘een ontdekking’.

5. Klopt het dat het deeltje nu is gevonden?

Nee, dat kun je niet met zekerheid zeggen, ook al leken veel media dat te suggereren. Wat we zeker weten is dat CERN een nieuw deeltje heeft gevonden. En ook is het zo dat de eerste tekenen van het gedrag van dit deeltje overeen lijken te komen met wat je verwacht van het Higgsdeeltje. Maar nog niet over alle eigenschappen is duidelijkheid. Je kunt dus op zijn best spreken van de vondst van een ‘Higgsachtig’ deeltje.

Peter Higgs tijdens de bekendmaking in juli. Na afloop was hij zichtbaar geroerd.

Nu is het dus zaak om alle eigenschappen van dit nieuwe deeltje zo goed mogelijk in beeld te brengen. Dan wordt niet alleen duidelijk óf het om een Higgsdeeltje gaat, maar ook om wát voor Higgsdeeltje. Het is, zoals hierboven beschreven, immers nog de vraag of het om een Higgsdeeltje gaat dat door het Standaardmodel wordt beschreven – zeg maar de simpelste vorm van een Higgsdeeltje – of dat het om een meer exotische vorm gaat. Of misschien zijn er wel meer Higgsdeeltjes.
In november 2012 presenteerde CERN nieuwe metingen. Vergeleken met de metingen van juli was er niet zoveel nieuwe informatie. Hoogstens dat het deeltje nog iets meer in de buurt van een Standaardmodel-Higgs kroop, al was de nauwkeurigheid van de metingen nog vrij laag. Het kan nog jaren duren voordat duidelijk is over wat voor deeltje we het hebben. De vondst van dit Higgsachtige deeltje is dus niet zozeer het einde van een zoektocht, maar eerder het begin van een nieuwe.