De ATLAS- en CMS-detectoren van de Large Hadron Collider (LHC) hebben onder de grond bij Genève sporen gevonden van een nieuw deeltje. Zeer vermoedelijk gaat het om het lang gezochte higgsdeeltje. Dat maakte het onderzoeksinstituut Cern vanmorgen bekend.
‘Ik denk dat we ‘m hebben.’ Met die woorden sloot Cern-directeur Rolf Heuer vandaag de presentatie van de ATLAS en CMS-experimenten van de LHC, waarin zij de resultaten meldden van hun jarenlange zoektocht naar het higgsdeeltje.
De resultaten van die experimenten waren veelzeggend. De CMS-detector vond een nieuw deeltje met een massa van ongeveer 125 gigaelektronvolt (ter vergelijking, een proton weegt één gigaelektronvolt (GeV)). De nauwkeurigheid van die meting was – in vakjargon – 4,9 sigma. Een moeilijke manier om te zeggen dat er een kans van ruwweg één op een miljoen is dat het gevonden resultaat niets meer is dan statistisch toeval.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
De Atlas-detector vond iets soortgelijks. Onderzoekers vonden met deze detector met een nauwkeurigheid van 5 sigma een nieuw deeltje dat 126,5 GeV weegt. De grens voor Cern om op basis van statistiek van een ontdekking te spreken was ook precies 5 sigma.
Peter Higgs
De opwinding naar aanleiding van dit nieuws is groot in de wereld van de fysica. Het internet gonsde vanmorgen van het snel opstapelende higgsnieuws, dat vooral via twitter, (live)blogs, nieuwssites en een livestream van Cern de wereld ingeslingerd werd.
Vooraf was al wel bekend dat Cern vandaag iets groots ging aankondigen. Belangrijke aanwijzing was ondermeer de aanwezigheid van Peter Higgs, de man die het bestaan van het higgsdeeltje ruim 40 jaar geleden al voorspelde. ‘Ik vind het heel bijzonder dat dit nog tijdens mijn leven gebeurd is’, vertelde hij zichtbaar geëmotioneerd aan het eind van het seminar van Cern.
Nieuw boson
‘We weten zeker dat er een nieuw deeltje ontdekt is’, zegt de Nederlandse deeltjesfysicus Wouter Verkerke, die meewerkte aan de analyse van het higgsdeeltje bij het ATLAS-experiment. ‘In ons plaatje ontbrak nog één boson en we denken nu dat we dat misschien gevonden hebben.’
Het plaatje waar Verkerke op doelt, is het zogeheten standaard model der elementaire deeltjes. Dat is de overkoepelende natuurkundige theorie die alle deeltjes en hun onderlinge interacties in één wiskundige beschrijving samenvat. Van dat model zijn tot nog toe alle belangrijke deeltjes gevonden. De enige uitzondering daarop is het higgsdeeltje.
Onzichtbaar
‘Het higgsdeeltje is een manifestatie van iets onzichtbaars’, zegt Verkerke. De theorie die Peter Higgs veertig jaar gelden opstelde, voorspelt dat massa niet iets is dat intrinsiek in een deeltje zit. Het zegt dat er een veld is dat zich door het universum uistrekt, het zogeheten higgsveld, en dat veld geeft deeltjes hun massa. Dat komt omdat alle fundamentele deeltjes een soort wrijving hebben met dit veld, als knikkers die door de stroop worden getrokken. De mate waarin een deeltje wrijving ondervindt, zorgt er dan voor hoeveel massa die deeltjes hebben.
‘De theorie van Higgs stelt ook dat als het veld bestaat, daar een deeltje bij hoort’, zegt Verkerke. ‘Als we dus zeggen: we hebben het higgsboson gevonden, dan weten we ook dat dat veld bestaat. En dus weten we dan hoe massa ontstaat. Daarom is het vinden van het higgsdeeltje veel belangrijker dan het vinden van een gewoon deeltje, omdat het een belangrijke fundamentele theorie bevestigt.’
‘Dit was het enige losse eindje dat we nog hadden’, gaat Verkerke verder. ‘Hiermee valt het model op zijn plek. Daarom is dit veel meer dan de ontdekking van een deeltje. Het is de sluitstuk van 30 jaar werk en theorie.’
Alternatieven
Toch willen fysici ondanks de overtuigende resultaten van vandaag nog niet stellen dat het higgsdeeltje ook daadwerkelijk gevonden is. Daarvoor is eerst nog verder onderzoek nodig. Toch zijn deeltjesfysici zoals Verkerke niet bang wat er gebeurt als dit deeltje tóch niet het higgsdeeltje blijkt te zijn.
‘Alternatieve verklaringen voor dit resultaat zijn alleen maar spannender dan de meer voor de hand liggende conclusie’, zegt Verkerke. ‘Misschien bestaat er bijvoorbeeld niet één higgsboson, maar meerdere soorten. En misschien is dit helemaal geen higgsdeeltje, maar iets totaal nieuws.’
Om te ontdekken of het hier nu echt om het higgsdeeltje gaat, zijn meer metingen nodig. ‘We hebben net voldoende bewijs verzameld om te zeggen dat dit nieuwe deeltje bestaat’, zegt Verkerke. Maar als het om het higgsdeeltje gaat, moet dat deeltje op een bepaalde, herkenbare manier uiteen vallen.
Kanalen
Veel was vandaag in de presentatie van Cern te doen over de verschillende ‘kanalen’ waarin gemeten werd. Die kanalen zijn de vakterm waarmee fysici de verschillende manieren waarop het higgsdeeltje uiteen kan vallen, beschrijven. Het higgsdeeltje zelf is namelijk niet stabiel genoeg om lang te blijven leven en dus moeten fysici op zoek naar de brokstukjes waarin het deeltje vrijwel direct uiteen valt. Dat zijn echter niet altijd dezelfde brokstukjes.
De theorie voorspelt hoe vaak het in de ene soort brokstukjes en hoe vaak het higgsdeeltje in de andere soort brokstukjes uiteen zal vallen. Blijkt die verhouding na verdere analyse te kloppen, dan weten de fysici dat het inderdaad om het higgsdeeltje gaat zoals het standaardmodel dat voorspelt. ‘De eerste stap is dat we meer gegevens moeten verzamelen. En we verwachten de komende maanden nog veel meer gegevens te krijgen’, vertelt Verkerke.
Wat er ook uit die analyses gaat komen, zeker is dat de vondst van vandaag zeer belangrijk is. ‘Ik denk dat dit makkelijk de grootste doorbraak is van de afgelopen dertig jaar’, vertelt Verkerke. ‘Hier hebben duizenden mensen jarenlang hard aan gewerkt. Zeker de laatste maanden gingen mensen de hele nacht door.’ Vandaag zullen daarom veel deeltjesfysici een fles champagne opentrekken om dit resultaat te vieren. Morgen volgt echter weer de verdere analyse van alle verzamelde gegevens.
George van Hal en Maud Etman
Lees alle opwinding van vandaag nog eens terug in het liveblog dat wij bijhielden tijdens het seminar van Cern.