Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Natuurkundigen spreken altijd over hét higgsboson. Maar wat nou als dit in 2012 ontdekte deeltje twee broertjes heeft?
2012 is de geschiedenis in gegaan als het jaar waarin het higgsdeeltje werd ontdekt. Toch kondigde CERN, de Europese organisatie die de verantwoordelijke deeltjesversneller LHC aanstuurt, die mijlpaal destijds net even anders aan. Het instituut sprak heel voorzichtig van “een higgs-achtig deeltje”. Die formulering liet onder andere de deur open voor meerdere higgsdeeltjes, waarvan dit dan pas het eerste zou zijn.
Inmiddels vinden natuurkundigen het niet meer nodig om die slag om de arm steeds te benoemen: ze spreken al jaren over hét higgsdeeltje. Als in: het enige. Toch zijn er nog altijd vakgenoten die over meerdere exemplaren nadenken. Want als er drie higgsdeeltjes bestaan in plaats van één, dan zou dat een eerste stap kunnen zijn richting de oplossing van een groot natuurkundig vraagstuk.
Lees ook:
Drie families
Eerst even terug naar de basis. Het higgs-mechanisme stelt in principe dat de hele ruimte is doordrongen van een onzichtbaar ‘iets’, het higgsveld, dat deeltjes massa geeft. Bij zo’n veld hoort noodzakelijkerwijs een deeltje: het higgsdeeltje. Als je dat deeltje dus vindt, heb je daarmee aangetoond dat ook het bijbehorende veld bestaat.
Maar dat is niet het hele verhaal. In de oorspronkelijke theorie verklaarde het higgsveld niet de massa’s van álle deeltjes, maar alleen van de zogenoemde W- en Z-bosonen, die in 1968 voorspeld en begin jaren tachtig ontdekt werden. Later pas bedachten natuurkundigen een manier waarop het higgsveld ook een groot deel van de overige bekende deeltjes van een massa kon voorzien.
Nu kon het higgsdeeltje in 2012 ontdekt worden doordat het verviel naar W- en Z-bosonen. Dat wees erop dat die W- en Z-bosonen hun massa inderdaad aan het higgsveld danken, zoals de oorspronkelijke theorie voorschreef. Deze vervallen zeggen echter nog niets over wat het higgsveld met andere deeltjes doet.
Pas toen de teams achter de LHC-experimenten CMS en ATLAS in de jaren daarna ook vervallen van higgsdeeltjes naar allerlei andere deeltjes maten, was duidelijk dat het higgsveld inderdaad meer voor zijn rekening neemt dan alleen de massa’s van de W- en Z-bosonen. Toch stond de deur naar meerdere higgsdeeltjes daarmee nog op een kier.
Zoals in de Far Out-aflevering van KIJK 1/2020 al te lezen was, bevat de natuur voor zover we weten drie families van deeltjes. Alle materie om je heen bestaat uit deeltjes uit de eerste familie. De tweede en de derde familie bestaan uit zwaardere kopieën van die bouwsteentjes.
Maar natuurkundigen hadden het higgsdeeltje alleen zien vervallen naar deeltjes uit de derde familie. Je zou dus nog kunnen denken dat het veld behorend bij het in 2012 ontdekte higgsdeeltje – buiten de W- en Z-bosonen – alleen de deeltjes uit de derde familie hun massa’s geeft. De eerste en de tweede familie zouden dan elk hun eigen higgsveld en -deeltje hebben.
Enorme verschillen
In eerste instantie klinkt het alsof dat de zaken alleen maar ingewikkelder maakt. Toch heeft het idee ook een aantrekkelijke kant, zegt deeltjesfysicus Tristan du Pree, betrokken bij het ATLAS-experiment. “We snappen niet waarom de verschillen tussen de massa’s van die drie deeltjesfamilies zo enorm groot zijn. Stel nu dat elke familie zijn massa aan een eigen higgsveld dankt, dan zijn die verschillen alweer beter te begrijpen.” Oké, geeft hij toe, je weet dan nog steeds niet waarom er precies drie higgsvelden zijn, of waarom die zulke verschillende deeltjesmassa’s tot gevolg hebben. “Maar het zou ons toch weer een stapje dichter bij het antwoord brengen.”
Helaas voor Du Pree meldden de teams achter de experimenten ATLAS en CMS deze zomer bewijs voor een nieuw verval: van het higgsdeeltje naar twee muonen. En muonen, die komen niet uit de derde, maar uit de tweede familie. Daarmee ligt het in de lijn der verwachtingen dat ook de eerste familie tot het domein van het in 2012 ontdekte higgsdeeltje behoort.
De ‘elke familie zijn eigen higgs’-theorie heeft daarmee veel van zijn overtuigingskracht moeten inleveren. Toch vermoedt Du Pree dat een verklaring voor de massaverschillen tussen de drie families binnen handbereik is. “Ik stel me zo voor dat mensen in 2100 niet meer zullen snappen waarom we begin twintigste eeuw de oplossing maar niet zagen, terwijl we toch alle stukjes van de puzzel tot onze beschikking hadden.”
Deze Far Out staat ook in KIJK 10/2020.
Tekst: Jean-Paul Keulen
Bronnen: ArXiv.org, CERN Document Server, CMS, ATLAS
Openingsbeeld: Visualisatie van een higgsdeeltje dat in het LHC-experiment CMS uiteenvalt tot twee andere deeltjes genaamd muonen (de rode lijnen links en rechts van het midden). Dit verval werd afgelopen zomer pas voor het eerst gemeten. © Thomas McCauley/CMS COLLABORATION