Zwijgend higgsboson

Tien jaar na de ontdekking ervan heeft het higgsdeeltje nog altijd niets bijzonders prijsgegeven. Geen wonder dat natuurkundigen zinspelen op hardere verhoortechnieken. Een ‘fabriek’ die bij de vleet higgsdeeltjes produceert, zou het zwijgen kunnen helpen doorbreken.

Een halve eeuw lang stond de jacht op het higgsboson bovenaan de prioriteitenlijst van deeltjesfysici. De uiteindelijke vondst van het deeltje in 2012 werd bejubeld als het laatste puzzelstukje van het ‘standaardmodel’, ons beeld van de werkelijkheid op haar meest fundamentele niveau. Zo werd het higgsboson een van de zeldzame beroemdheden onder de elementaire deeltjes.

Maar een decennium later zijn we nauwelijks meer over het deeltje te weten gekomen. Ons begrip van het pantheon aan deeltjes en krachten die het heelal ­vormen, blijft daardoor onvolmaakt. We koesterden de hoop dat naast het higgs­boson nieuwe deeltjes en krachten onverwachte, exotische verschijnselen met zich mee zouden brengen, en daarmee zicht zouden bieden op nog grotere zaken. Maar helaas: het higgsdeeltje gedraagt zich ­precies zoals verwacht en ondergraaft daarmee de hoop dat onbekende inter­acties ons naar de ontdekking van nieuwe natuurkunde zullen leiden.

Maar is het higgsboson echt zo saai als het lijkt? Misschien toch niet. Nadere inspectie zou de ware aard ervan kunnen onthullen en wellicht ook de contouren zichtbaar kunnen maken van vreemde soortgenoten of exotische ‘roze-olifant-deeltjes’ die ons begrip van het universum zouden opschudden. ‘We moeten het higgsboson op de snijtafel leggen, ontleden en erin porren totdat het gaat protesteren’, zegt deeltjesfysicus Ben Allanach van de Universiteit van Cambridge.

Met dit idee in het achterhoofd pleiten heel wat mensen in het veld voor een ­nieuwe deeltjesversneller die op industriële schaal higgsdeeltjes kan uitspuwen, zodat we die als nooit tevoren aan de tand kunnen voelen. Maar zou een dergelijke higgsfabriek echt de deur naar nieuwe natuurkunde openen? Of is het higgsboson toch gewoon saai – wat ons in ieder geval iets zou vertellen over ons vermogen het universum te doorgronden?

Geen compleet plaatje

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is onze beste beschrijving van alle bekende deeltjes in het heelal en de manier waarop die op elkaar inwerken, en het is verbluffend precies. Sinds het in de jaren zeventig werd geformuleerd, vormt het de leidraad voor deeltjesfysici. Het vertrouwen in de notie dat deeltjes en krachten gehoorzamen aan elegante wiskundige regels leidde tot de bouw van steeds krachtigere en preciezere deeltjesversnellers om de door het standaardmodel voorspelde ­deeltjes te vinden. Dat lukte keer op keer.

In zijn simpelste vorm bestaat het standaardmodel uit een vergelijking met vier termen. De eerste beschrijft drie van de bekende krachten in het heelal: de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkracht. De tweede beschrijft de elementaire deeltjes en hoe de krachten daarop inwerken. De twee laatste termen ­worden nu pas geschreven. Ze vertellen vooral het verhaal van het higgsboson, het deeltje dat ons hopelijk kan vertellen wat het standaardmodel nog mist.

Peter Higgs, François Englert en Robert Brout opperden het bestaan van het higgsboson in 1964 om te verklaren waarom fundamentele deeltjes zulke uiteenlopende massa’s hebben: van nul tot behoorlijk groot. Het idee is dat ze allemaal door een onzichtbaar ‘higgsveld’ waden dat ze in uiteenlopende mate tegenwerkt. Dit mechanisme kreeg bijna onmiddellijk extra betekenis toen natuurkundigen beseften dat de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht bij hoge energieën samensmelten tot een geünificeerde, ‘elektrozwakke’ kracht. Lichtdeeltjes oftewel fotonen, de dragers van de elektro­magnetische kracht, zijn massaloos terwijl de dragers van de zwakke kernkracht – ­W- en Z-bosonen – wél massa hebben. Het higgsmechanisme biedt een verklaring voor deze asymmetrie.

Vandaar de opluchting toen het higgs­boson, het laatste ontbrekende deeltje van het standaardmodel, in 2012 eindelijk werd ­aangetroffen in deeltjesbotsingen in de Large Hadron Collider van CERN nabij het Zwitserse Genève. ‘Fysici vinden het ongrijpbare deeltje dat beschouwd wordt als de sleutel tot het universum’, aldus de voorpagina van The New York Times.

Maar zelfs toen al wisten de deeltjesfysici dat dit niet het complete plaatje kon zijn. Het standaardmodel verklaarde namelijk nog altijd niet waarom zich zoveel meer materie dan antimaterie in het heelal bevindt. Het laat geen ruimte voor donkere materie, het mysterieuze spul dat verhindert dat sterrenstelsels uit elkaar getrokken worden. Bovendien biedt het geen beschrijving van de zwaartekracht.

‘Het standaardmodel zit vol met getallen die we niet begrijpen. Het is net het Wilde Westen’

Onderliggende ­structuur

De volgende grote sprong naar een volledig beeld van de werkelijkheid is de vereniging van de quantumwereld van de deeltjes­fysica met de zwaartekracht zoals die wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie. Helaas is de zwaartekracht verbluffend veel zwakker dan alle andere krachten, waardoor deze zich niet gemakkelijk in het standaardmodel laat voegen. De hypothetische deeltjes van de quantumzwaartekracht verergeren een bestaand probleem, namelijk dat het higgsboson door zijn voortdurende interactie met ‘virtuele’ deeltjes – die voort­durend uit het niets tevoorschijn springen en weer verdwijnen – veel zwaarder zou moeten zijn dan in werkelijkheid gemeten wordt. De theoretici staan met hun mond vol tanden, omdat ze alleen zouden kunnen verklaren waarom het higgsdeeltje zo licht is door de vergelijkingen geweld aan te doen.

Meer in het algemeen houdt het higgsdeeltje verband met veel van de meest ­problematische aspecten van het standaardmodel – in feite een lukraak samenraapsel van deeltjesmassa’s die afhankelijk zijn van de mate waarop het higgsboson met ze wil koppelen. Elektronen zijn bijvoorbeeld veel lichter dan hun zusterdeeltjes die muonen genoemd worden, die op hun beurt weer veel lichter zijn dan hun familieleden die taudeeltjes genoemd worden. Niemand weet waarom. ‘Het is zo’n chaos’, zegt deeltjesfysicus Beate Heinemann van de Albert-Ludwigs Universiteit van Freiburg in Duitsland. ‘Het standaardmodel zit vol met getallen die we niet begrijpen. Ze gehoorzamen niet aan ­wetten. Het is net het Wilde Westen.’

In plaats van dat deze getallen op natuurlijke wijze voortkomen uit een theorie, hebben natuurkundigen ze er hand­matig in gezet. Maar ‘handmatig’ en ‘ad hoc’ zijn scheldwoorden in een veld dat het basaalste fundament van de werkelijkheid probeert te ontdekken. ‘Het is net ­alsof de zwaartekracht verschillend zou inwerken op appels, mensen en planeten’, zegt Heinemann. ‘Het is gewoon erg ­onbevredigend. Waar bevindt zich de ­oorsprong van deze getallen?’

Het enige verschil tussen elektronen, muonen en taudeeltjes is de manier waarop ze interactie vertonen met het higgs­boson. De geheimzinnige herkomst van de deeltjesmassa’s lijkt erop te wijzen dat er een diepere onderliggende structuur bestaat die ontdekt kan worden door het higgsdeeltje in detail te bestuderen. Door de interacties precies te meten, zo is de gedachte, zouden we inconsistenties ­kunnen waarnemen die niet door het standaardmodel kunnen worden verklaard. Dat zou ons op het spoor kunnen zetten van een nieuwe, meer omvattende theorie.

Van sommige interacties hebben we al een glimp weten op te vangen. In 2018 onthulde de LHC deeltjesprocessen waarin een higgsboson geproduceerd wordt samen met een topquark en diens antimaterie-equivalent: een topantiquark. De ­topquark is het zwaarste fundamentele deeltje – zwaarder zelfs dan het higgsdeeltje. Dat betekent dat elke afwijking van het standaardmodel hier het zichtbaarst zou moeten zijn. ‘Het is een prachtige manier om het higgsdeeltje hard te raken, en te zien of het doet wat we verwachten’, zegt deeltjesfysicus Freya Blekman van de Vrije Universiteit Brussel. Maar helaas: de metingen aan de topquark onthulden niets onoorbaars. En evenmin vorig jaar, toen we voor het eerst een glimp opvingen van een higgsboson dat verviel tot lichtere muonen.

Promiscue deeltje

Het higgsboson is tot nu toe dus heel gewoontjes gebleken. En dat is uiterst ­frustrerend. Toch bieden de metingen in de LHC nog voldoende bewegingsruimte om te vermoeden dat het higgsboson achter zijn saaie façade iets verborgen houdt. Er is geen gebrek aan ideeën over wat het higgsboson werkelijk is, en wat het werkelijk doet. ‘Je kunt er allerlei toeters en bellen op aanbrengen’, zegt Jon Butterworth, hoogleraar natuurkunde aan University College London.

Al vaker werden deeltjes die we beschouwden als fundamenteel en ondeelbaar uiteindelijk uiteengepeld als de lagen van een ui. Atomen braken op in protonen, neutronen en elektronen. Vervolgens ­braken protonen en neutronen open om quarks te onthullen. Datzelfde zou kunnen gebeuren met het higgsboson: er zouden kleinere deeltjes in kunnen zitten. Modellen die ‘tweelinghiggs’ of ‘kleine higgs’ genoemd worden, voegen complexe nieuwe symmetrieën toe aan het standaard­model, evenals fantasierijke oplossingen voor het probleem van de zo vreemde, kleine massa van het higgsboson. Door te letten op minieme afwijkingen in de manier waarop het higgsboson geacht wordt tot andere deeltjes te vervallen, ontdekken we wellicht dat zich in het hart van de realiteit een complexer higgsboson bevindt.

De interacties van het higgsboson bieden ook uitzicht op nieuwe deeltjes. Het is namelijk het enige elementaire deeltje waarvan de quantummechanische ‘spin’ nul bedraagt. Dat maakt het op een unieke manier promiscue. Bij de meeste elementaire deeltjes is het zo dat wanneer je ze ondersteboven houdt, ze zich vanwege hun spin anders gaan gedragen. Maar een spinloos deeltje gedraagt zich altijd hetzelfde, ongeacht hoe je het draait of keert. Dat betekent dat het higgsboson heel gemakkelijk contact maakt met andere deeltjes, waaronder de deeltjes die nog op ontdekking wachten.

Misschien houdt het higgsdeeltje wel helemaal niets voor ons ­verborgen

‘Vieze fysica’

Wanneer je meet hoe het higgsboson vervalt tot alle bekende deeltjes en ontdekt dat daarbij een beetje energie verloren gaat, dan kan dat wijzen op het bestaan van nieuwe deeltjes die niet door de huidige detectoren worden waargenomen. Maar liefst een op de vier higgsbosonen lijken tot dergelijke – zoals Heinemann ze noemt – ‘roze olifanten’ te vervallen. Sommige daarvan zouden weleens belangrijke kandidaten voor donkere materie kunnen zijn.

De theorieën voorspellen zelfs dat het higgsboson bij voldoende grote energieën tot zichzelf kan vervallen. Behalve dat dit een voorheen onbekende interactie betreft, bepaalt de manier waarop het higgsboson dit doet onze kosmische geschiedenis. Deze ‘zelfkoppeling’ vertelt ons namelijk hoe het higgsveld kort na de oerknal ontstond. Behalve dat dit proces deeltjes hun massa verstrekte, en zo verantwoordelijk was voor de vorming van planeten, sterren en sterrenstelsels, zou het ook kunnen verklaren waarom er zoveel meer materie dan antimaterie in het heelal voorkomt.

Het probleem is dat de metingen van de LHC tot dusver niet in staat zijn gebleken deze verschillende mogelijkheden vast te stellen of uit te sluiten. De LHC verricht ‘vieze fysica’, zegt Allanach, door protonen met hoge energieën rommelig te laten botsen om daarna de scherven te bekijken. Te midden van deze chaos is het moeilijk om grip te krijgen op de subtielere details van het higgsboson. De meeste van de koppelingen van het higgsboson met andere deeltjes zijn tot nu toe gemeten met een precisie van – afhankelijk van het deeltje – 10 tot 20 procent. ‘Zolang de onzekerheden groot zijn, is het gemakkelijk om te zeggen dat iets overeenkomt met de data’, zegt Blekman.

Dit alles verklaart waarom Blekman en anderen lobbyen voor een nieuwe deeltjesversneller die op massale schaal higgsbosonen kan produceren. Deze zou de deeltjes met miljoenen uitspuwen zonder veel ‘ruis’ te produceren dat ons zicht op hun gedrag verdoezelt. Daardoor zouden we hun koppelingen met andere deeltjes veel nauwkeuriger kunnen meten. Bovendien zou een opgewaardeerde higgsfabriek, die in plaats van elektronen zwaardere en dus energetischere protonen op elkaar laat botsen, ons in staat stellen de zelfkoppeling van het higgsboson te meten.

Superpartnerdeeltjes

Afgelopen juni spraken de 23 lidstaten van CERN af dat hun ‘grootste prioriteit’ de constructie is van een higgsfabriek waarin elektronen en positronen – de antideeltjes van elektronen – op elkaar botsen. ‘Iedereen is het erover eens dat we iets nodig hebben dat een heleboel higgsbosonen kan maken’, zegt Blekman. Maar ondanks al het vertrouwen dat een higgsfabriek de juiste manier is om de geheimen van het deeltje bloot te leggen, erkennen sommige natuurkundigen de mogelijkheid dat het higgsboson misschien wel helemaal niets voor ons verborgen houdt en dat de fabriek dus niets gaat opleveren. ‘Dat zou net zo verbazingwekkend zijn’, zegt Butterworth, ‘maar moeilijk om mee te dealen’.

Tot voor kort was het standaardmodel de blauwdruk die ons verzekerde dat er meer dingen te ontdekken vielen. Maar nu de puzzel compleet is, en er weinig aanwijzingen zijn voor volgende ontdekkingen, ­tasten we feitelijk in het duister.

Dat we na het higgsboson niets anders meer vonden in de LHC, wordt door CERN-natuurkundigen het nachtmerrie-scenario genoemd. Velen van hen dachten dat ze ‘superpartnerdeeltjes’ zouden aantreffen die voorspeld worden door supersymmetrie, een theorie die de gaten in het standaardmodel probeert te vullen. Door nieuwe deeltjes aan de verzameling toe te voegen, zouden de theoretici de ­verbluffend lage massa van het higgsboson kunnen verklaren. Terwijl interacties met reeds bekende deeltjes de massa van het higgsboson opdrijven, zouden deze superpartners de massa weer omlaag kunnen trekken naar de waarde zoals die daad­werkelijk in de LHC gemeten wordt. Supersymmetrie bood niet alleen een elegante manier om de vier natuurkrachten te ­verenigen, maar zou ook de aard van de donkere materie onthullen.

Dat er geen aanwijzingen voor andere deeltjes in de LHC zijn opgedoken, heeft echter de meeste plausibele theorieën over supersymmetrie doen verkruimelen. De enige manier waarop je de lage gemeten massa van het higgsdeeltje kunt verklaren, is door met de hand precies de juiste ‘kale massa’ van het higgsdeeltje in de theorie te stoppen. Dat wil zeggen: de massa vóórdat je alle bijdragen meeneemt ten gevolge van interacties met virtuele deeltjes die eromheen opduiken en weer verdwijnen. Die kale higgsmassa moet je dan zo kiezen dat hij al die bijdragen van virtuele deeltjes precies compenseert. ‘Dit is zo verdacht goed afgesteld dat het geen toeval kan zijn’, zegt Butterworth.

Bottom-updenken

Supersymmetrie wortelt in een concept dat ‘natuurlijkheid’ genoemd wordt: de natuurwetten die het universum regeren, zijn elegant en verklaarbaar – niet geïmproviseerd en lukraak. Steeds als er in de natuur schijnbaar willekeurige getallen opdoken, vermoedden natuurkundigen dat er in hun theorie iets ontbrak. Meestal hadden ze gelijk. Dat is waarom de voortdurende afwezigheid van nieuwe deeltjes in de LHC een ‘ontnuchterend moment’ vormt, zegt theoretisch fysicus Nathaniel Craig van de Universiteit van Californië in Santa Barbara. ‘Er is inmiddels grote weerstand gegroeid tegen het gebruik van esthetische criteria’, zegt hij.

Nu natuurlijkheid onder vuur ligt, is het moeilijk te zeggen of er voorbij het standaardmodel nieuwe deeltjes bestaan bij energieën die ooit in deeltjesversnellers bereikt kunnen worden. ‘Een van de ­dingen die we geleerd hebben, is dat het standaardmodel ook bij heel hoge energieniveaus van kracht blijft’, zegt theoretisch natuurkundige Keith Ellis van de Universiteit van Durham in het Verenigd Koninkrijk. ‘En dat is een deprimerend vooruitzicht’. Wellicht is de natuur uiteindelijk niet zo elegant als natuurkundigen hopen. En hoe krachtig en precies onze deeltjes­versnellers ook zullen worden, sommige delen ervan zijn misschien onkenbaar.

‘Ik ben bang dat we te veel doen wat de theoretici ons opdragen’

Allanach blijft hoopvol. Hij heeft de ‘top-downtheorieën’, die uitgaan van grandioze esthetische principes, terzijde geschoven en zegt nu te doen aan ‘bottom-updenken’. Dat begint bij kleine barstjes in het standaardmodel – zoals deeltjes die te snel vervallen of die magnetischer zijn dan verwacht – om van daaruit de ­theorie stukje bij beetje vorm te geven. Als een nieuw deeltje de data beter verklaart, dan loont het de moeite het in overweging te nemen – esthetisch of niet.

Een higgsfabriek zou ons in staat stellen deze kleine barstjes te onderzoeken, zegt Allanach. Dit is misschien niet zo opwindend als het ontdekken van nieuwe deeltjes, maar ‘je hoeft er niet de neus voor op te halen’, zegt hij. Zulk onderzoek biedt een grondslag van onontbeerlijke data vanwaaruit nieuwe ideeën kunnen opspringen.

‘In mijn hart voel ik dat er uit dit alles een met het standaardmodel vergelijkbaar paradigma zal voortkomen dat we zullen kunnen begrijpen’, zegt Allanach. ‘Natuurlijk geloof ik dat. Maar we hebben een andere benadering nodig. Ik ben bang dat we te veel doen wat de theoretici ons opdragen, en dat we uit het oog hebben verloren dat we daadwerkelijk onbekend terrein aan het verkennen zijn.’

---

Dit artikel verscheen eerder in New Scientist 93.