De teams achter de LHC-experimenten ATLAS en CMS hebben met veel kunst- en vliegwerk vastgesteld dat het higgsdeeltje uit elkaar kan vallen in twee andere deeltjes.

Alweer zes jaar geleden lieten deeltjesfysici wereldwijd de champagnekurken knallen: het higgsdeeltje, het deeltje dat – heel kort door de bocht – andere deeltjes hun massa’s geeft, was ontdekt! Dat betekende echter niet dat alles rond dit deeltje gelijk in kannen en kruiken was. Nu is bijvoorbeeld pas de belangrijkste manier waargenomen waarop het befaamde deeltje uit elkaar kan vallen.

Lees ook: 8 higgsfeiten

Eindelijk gelukt

Belangrijk om je te realiseren bij het higgsdeeltje is dat het een extreem kort ‘leven’ heeft. Een oogwenk nadat het is ontstaan – bijvoorbeeld in de deeltjesversneller LHC bij Genève – vervalt het alweer naar andere deeltjes. Daardoor hebben natuurkundigen nog nooit letterlijk een higgsdeeltje gezien, laat staan dat ze het in alle rust hebben kunnen bestuderen.

Wel zien ze de deeltjes die ontstaan als een higgsdeeltje uit elkaar is gevallen. Daarbij zijn er allerlei mogelijkheden. Het higgsdeeltje kan bijvoorbeeld vervallen naar twee fotonen (‘lichtdeeltjes’). Dat verval is relatief makkelijk waar te nemen, waardoor het al deel uitmaakte van de resultaten waarmee de ontdekking van het higgsdeeltje in 2012 werd gestaafd.

Feit is wel dat maar een op de vijfhonderd higgsdeeltjes op die manier aan zijn einde komt. In bijna 60 procent van de gevallen ontstaan er twee andere deeltjes: een bottomquark en een antibottomquark. (Wat dat zijn? Quarks zijn de bouwstenen van zwaardere deeltjes zoals protonen en neutronen, die op hun beurt weer de bouwstenen zijn van atoomkernen. We kennen in totaal zes soorten quarks, waarvan de bottomquark de op een na zwaarste is.)

Het verval naar een bottom- en een antibottomquark hadden natuurkundigen echter nooit met voldoende zekerheid waargenomen om van een ontdekking te mogen spreken. Tot nu dan, want gisteren maakten de teams achter de LHC-experimenten ATLAS en CMS bekend daar eindelijk in te zijn geslaagd.

Grote en kleine hooiberg

Het verval naar bottom en antibottom is zo lastig waar te nemen doordat deze deeltjes om de haverklap ontstaan. Dus niet alleen wanneer er een higgsdeeltje vervalt, maar ook bij tal van andere processen die optreden als er in de LHC twee deeltjes op elkaar botsen. Al die andere bottomquarks moet je dus zien weg te filteren als je probeert het verval van higgs naar bottomquarks aan te tonen. Of, zoals deeltjesfysicus Freya Blekman (Vrije Universiteit Brussel) het formuleert: “Deeltjesfysica aan de LHC is vaak niet een kwestie van de interessante botsingen vinden, maar van de niet-interessante botsingen weggooien.”

In dit geval gebeurt dat door niet naar alle higgsdeeltjes te kijken, maar alleen naar de higgsdeeltjes die ontstaan samen met een ander deeltje: een zogenoemd W- of Z-boson. Wat dat precies voor deeltjes zijn, doet er even niet zoveel toe. Wel dat wanneer er tegelijk met een higgsdeeltje een W- of Z-deeltje ontstaat, bottomquarks die van het higgsdeeltje afkomstig zijn een stuk makkelijker te onderscheiden zijn van andere bottomquarks. Dit doordat het W- of Z-deeltje ook vervalt; daarbij ontstaan dan andere deeltjes die je samen met de bottomquarks ziet.

Nu gebeurt het op zich relatief zelden dat er tegelijk met het higgsdeeltje een W- of Z-deeltje ontstaat. Dat wordt echter gecompenseerd door hoeveel makkelijker de bottomquarks in dit geval te identificeren zijn. “Stel, je hebt tien spelden verstopt in twee hooibergen”, zegt Blekman: “Acht in een heel grote hooiberg en twee in een heel kleine hooiberg. Dan vind je makkelijker een speld in die kleine hooiberg, ook al zitten er minder in.”

Tour de force

Dat het higgsdeeltje vervalt naar bottomquarks, lijkt met de gisteren bekendgemaakte resultaten wel buiten kijf te staan. Zowel het experiment ATLAS, waar Nederland bij betrokken is, als CMS, waar Blekman aan werkt, konden met grote zekerheid melden dat ze het verval hadden gezien. “Een ongelooflijke tour de force; echt super dat dit gelukt is”, zegt natuurkundige Ivo van Vulpen, die wel betrokken is bij ATLAS, maar niet aan dit specifieke onderzoek heeft meegewerkt.

Vraag is vervolgens: waarom is dit resultaat belangrijk? Sowieso moet je nagaan of het higgsdeeltje wel precies de eigenschappen heeft die de theorie voorspelt, zegt Van Vulpen. “Je vergeet het weleens, maar het higgsdeeltje is ook maar ‘gewoon’ uit de menselijke gedachten voortgekomen, als een mogelijke oplossing voor het probleem hoe we deeltjes massa konden geven. Het zou natuurlijk ingewikkelder kunnen liggen.”

Blekman vult aan: “Het higgsdeeltje is oorspronkelijk voorspeld om te verklaren waarom fotonen niets wegen en W- en Z-deeltjes wél een massa hebben. Later werd pas duidelijk dat je op dezelfde manier ook andere deeltjes, zoals quarks, hun massa kon geven. Om te testen of dat ook daadwerkelijk het geval is, moet je bepalen in hoeverre het higgsdeeltje uiteenvalt in zulke deeltjes, of er samen mee wordt geproduceerd.”

Bij de bekendmaking van de ontdekking van het higgsdeeltje, in 2012, ging het echter alleen maar om processen waar fotonen en W- en Z-deeltjes bij kwamen kijken. Daarmee was dus de vraag ‘geeft het higgsdeeltje ook andere deeltjes hun massa’s?’ nog niet te beantwoorden. Met het bestuderen van vervallen zoals dit, waarbij bottomquarks ontstaan, kan dat wél.

Missing link

Helaas zijn bottomquarks niet de quarks waar protonen en neutronen van gemaakt zijn; dat zijn de veel lichtere up- en downquarks. Een vergelijkbare link tussen het higgsdeeltje en deze twee quarks is helaas nog niet gevonden. Jammer, want als dat eenmaal is gelukt, komen weer antwoorden op andere prangende vragen in beeld. Zoals: hoe kan het eigenlijk dat het proton stabiel is terwijl het neutron na een kwartier vervalt?

Bronnen: ArXiv.org, CERN, ATLAS, CMS

Beeld: ATLAS Collaboration/CERN

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!