Maak plaats, sneller-dan-het-licht-neutrino’s! Vandaag zou namelijk weleens hét natuurkundenieuws van het jaar bekend kunnen worden: de vondst van het higgsdeeltje.
Het gonst al weken van de geruchten in natuurkundeland. Vanmiddag om 14:00 houdt deeltjeslab Cern namelijk een seminar over het higgsdeeltje – het laatste ontbrekende puzzelstukje van het standaardmodel van de moderne deeltjesfysica. En over wat daar bekend gemaakt zal worden, wordt al wekenlang gespeculeerd.
De klapper zal volgen om 16:30. Dan staat een persconferentie op stapel over de laatste resultaten die de twee voornaamste detectoren van de Large Hadron Collider (LHC) – de zogeheten ATLAS- en CMS-detectoren – hebben gevonden. Volgens Cern gaat het hier om informatie die ‘voldoende is om significante voortgang te boeken in de zoektocht naar het higgsboson, maar onvoldoende om een conclusie te trekken over het bestaan of niet-bestaan van het higgs.’
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Geïnteresseerden kunnen vanaf 14:00 het seminar online volgen. Via de perssite van Cern is een webcast te zien waarop iedereen de gebeurtenissen aan het Zwitsere instituut kan volgen, met om 16:30 de klapper. Natuurlijk kunt u het nieuws, zodra dat bekend is, ook gewoon op NWT Online lezen.
Voor iedereen die niet kan wachten, of die wil weten hoe het nu precies zit met dat higgsboson, volgt vooruitlopend op de resultaten van vanmiddag hier alvast een minicursus ‘higgs’.
Waarom is dat higgsboson eigenlijk nodig?
Kort gezegd: zonder het higgsdeeltje klopt er geen hout van het standaardmodel van elementaire deeltjes, het model dat alle deeltjes en hun onderlinge interacties in één wiskundige beschrijving weet te vatten. Zonder het higgsdeeltje snappen we namelijk niet waarom deeltjes eigenlijk een massa hebben.
Zonder massa zou het universum er heel anders uitzien. Stel dat het elektron geen massa zou hebben – dan zouden er ook geen atomen kunnen zijn, en dus geen materie. Zelfs u en ik zouden hier niet zijn om te speculeren over de rol van het higgsdeeltje.
Op het eerste gezicht lijkt massa echter niet gemakkelijk in het standaardmodel te passen. Twee van de belangrijkste krachten die de theorie beschrijft – elektromagnetisme en de zwakke kernkracht (verantwoordelijk voor het radioactief verval van elementaire deeltjes) – zijn samen te vatten in de elektrozwakke theorie. Die theorie is in de loop der jaren bij herhaling bevestigd door experimenten, maar lijkt te impliceren dat deeltjes op fundamenteel niveau massaloos zijn.
In 1961 vond Peter Higgs, samen met collega’s, een oplossing voor die onhandige uitkomst. Hij stelde een universeel veld voor dat in ons universum aanwezig is en waar alle deeltjes doorheen bewegen. Sterk vereenvoudigd is het effect te vergelijken met het bewegen van knikkers door kleverige stroop – hoe meer interactie een knikker vertoont met de stroop, hoe meer van het kleverige spul aan de knikker blijft hangen en hoe zwaarder het wordt. Op een gelijksoortige manier helpt het zogeheten higgsveld elementaire deeltjes aan hun massa.
Toen deeltjesfysici dat mechanisme toevoegden aan het standaardmodel, bleken zij in staat een aantal voorspellingen te doen die later bleken te kloppen, zoals een berekening van de massa van het zwaarste destijds nog onontdekte elementaire deeltje: de top-quark.
Het higgsveld – het veld waardoor deeltjes hun massa krijgen – is volgens de theorie opgebouwd uit vier subvelden: twee neutrale en twee geladen velden. Al die velden hebben deeltjes die dienen als ‘dragers’ van die velden. Van drie van de vier velden zijn die dragers ook daadwerkelijk gevonden. Dat zijn de zogeheten W+, W- en Z-bosonen. Van het laatste veld – één van de twee neutrale – is dat echter nog niet het geval. Dat is het veronderstelde higgsboson.
Wordt het higgsboson niet gevonden, dan ondergraaft dat het standaardmodel. Dat kan dan niet langer verklaren waarom deeltjes massa’s hebben.
Zullen wetenschappers vandaag echt de ontdekking van het higgsboson claimen?
Nee. Wat we vanmiddag vermoedelijk zullen horen is de eerste experimentele suggestie dat het higgsboson inderdaad bestaat. Dat klinkt een beetje flauw, maar is veel spannender dan die voorzichtige bewoording suggereert.
Deeltjesfysici hanteren namelijk een heel strikte marge voordat zij van een ‘ontdekking’ reppen. Daarvoor moet met een zekerheid van meer dan 99,9999 procent te stellen zijn dat een vondst niet op statistische ruis berust. En omdat het vinden van het higgs niet gelijk staat aan het vinden van een zwarte knikker in een pot met rode, maar aan het ontdekken van een iets hoger piekje in een door de detectoren van Cern gemeten signaal, is dat geen sinecure.
De nauwkeurigheid die behaald moet zijn voordat Cern – traditioneel voorzichtig met bekendmakingen – een persconferentie over de resultaten belegt, is echter al aanzienlijk. Vermoedelijk hebben de detectoren het higgsdeeltje met een zekerheid van ergens tussen de 95 en 99 procent gevonden. Niet genoeg dus om volgens de strikte Cern-standaard te claimen dat het deeltje gevonden is, maar een kans van (meer dan) 95 procent dat het deeltje inderdaad gevonden is, is al meer dan spannend genoeg om alle opwinding in de natuurkundewereld te rechtvaardigen.
Wat weten we al van het higgsdeeltje?
We weten in elk geval waar het higgs zich ongeveer verstopt. De afgelopen jaren zijn de schuilplaatsen van het deeltje stukje bij beetje opgeraakt. Al zeker twintig jaar zijn steeds grotere versnellers op zoek gegaan naar het higgs, maar vingen bij die zoektocht tot nog toe altijd bot. Daardoor is echter wel steeds nauwkeuriger bekend geworden waar het deeltje zich níet bevindt.
Als we het in de context van de zoektocht naar higgs hebben over ‘schuilplaatsen’ of ‘plekken’ waar het deeltje zich misschien ‘bevindt’, bedoelen deeltjesfysici overigens altijd een bepaalde massa-energie. In de deeltjesfysica is het namelijk gebruikelijk om de massa’s van deeltjes uit te drukken in een hoeveelheid energie – in dit geval in aantallen GeV’s (gigaelektronvolts) – omdat massa en energie volgens de theorieën van Einstein direct in elkaar kunnen overgaan.
Vorige maand werd nog bekend dat onderzoekers van Cern een groot massagebied, tussen 141 tot 476 GeV, als potentiële schuilplaats voor higgs hadden uitgesloten. Samen met eerdere resultaten uit de jaren negentig bleef daardoor slechts een gebiedje over tussen de 114 en de 141 GeV.
Volgens de geruchten plaatsen de huidige resultaten de massa van het higgs op de 125 (volgens de CMS-detector) á 126 GeV (volgens de ATLAS-detector). Of die geruchten kloppen, zal vanmiddag blijken.
Waarom is eigenlijk een deeltjesversneller nodig om dat higgsdeeltje te vinden?
Het higgsdeeltje bestaat maar heel kort en is dus in de vrije natuur niet zomaar te vinden. Wel kan het – even – opduiken als één van de brokstukken wanneer twee deeltjes met extreem hoge snelheid op elkaar geschoten worden. Het lastige daarbij is alleen dat de massa (en dus de energie) van het higgs niet van tevoren bekend is – het standaardmodel doet daar namelijk geen voorspelling over.
Daarom kon het higgsdeeltje op voorhand eigenlijk overal ‘zitten’. De Large Hadron Collider (LHC), maar ook voorgangers als de Large Elctron Positron Collider (LEP, ook van Cern) en de Tevatron (van het Amerikaanse Fermilab) zochten daarom op verschillende energieën (van 0 tot 1000 GeV) naar het deeltje.
Lastig daarbij is alleen dat je het higgsdeeltje nooit direct kunt waarnemen. Het vervalt vrijwel direct nadat het ontstaat weer in andere deeltjes. Afhankelijk van de massa van het higgsdeeltje zijn dat overigens andere deeltjes – en naar die deeltjes zijn de ATLAS en CMS-detectoren van Cern op zoek.
Omdat er echter heel veel deeltjes ontstaan bij zo’n botsing, is er flink wat statistiek voor nodig om er zeker van te zijn dat die specifieke deeltjes afkomstig zijn van het higgsboson. Daarom hangt Cern niet zomaar iedere potentieel signaal van het higgsdeeltje aan de grote klok.
Is de ontdekking van dat higgsdeeltje nu echt zo belangrijk?
Ja. Niet alleen is het higgs het laatste ontbrekende puzzelstukje van het standaardmodel – vooralsnog één van de meest succesvolle natuurkundige theorieën allertijden – maar de zoektocht ernaar is ook nog eens hét belangrijkste argument waarmee de bouw van de peperdure LHC bij Cern gerechtvaardigd werd. Belangrijkst blijft echter toch de ontdekking zelf: als het higgs gevonden is, weten we eindelijk zeker waarom alles massa heeft en – uiteindelijk – waarom u en ik überhaupt kunnen bestaan.