Betere bepaling massa topquark leidt tot zwaarder Higgs-deeltje

Een internationaal samenwerkingsverband van bijna vierhonderd fysici heeft de massa van het topquark bepaald met een precisie die niet eerder is vertoond. Het gaat om metingen met de kolossale D0-detector van het Fermilab in Chicago. Analyse van data van voor 1999, het jaar dat de Tevatron (de grote proton-antiproton-versneller van Fermilab) werd gesloten in afwachting van een opknapbeurt, heeft aangetoond dat het topquark een massa bezit van 178,0 GeV/c², met een marge van 4,3 GeV/c². Dit is iets zwaarder dan de oude waarde (Nature, 10 juni).

Het topquark is het zwaarste elementaire deeltje dat tot nu toe is ontdekt (in 1995 in de Tevatron). Quarks zijn de bouwstenen van bijvoorbeeld protonen en neutronen. Ze komen voor in drie `generaties' met sterk uiteenlopende massa's – niemand weet waarom. Massa's worden in de hoge energiefysica uitgedrukt in GeV/c² (een GeV is een giga-elektronvolt, c de lichtsnelheid). Een proton komt in dit systeem uit op circa 1 Gev/c². Overigens laten veel fysici de c² gemakshalve weg.

Nauwkeurige kennis van de massa van het topquark is van groot belang voor de status van het Standaardmodel dat de elementaire deeltjes en hun wisselwerking beschrijft. In dat model krijgen de deeltjes hun massa via wisselwerking met het zogeheten Higgsveld, waarmee ook het Higgsdeeltje correspondeert. Het vernieuwde Tevatron en de Large Hadron Collider in Genève gaan over enkele jaren in de slag het als eerste te vinden. De massa van het topquark levert een onder- en bovengrens voor de massa van het Higgsboson: respectievelijk 117 en 251 GeV/c². Dat is een kwart hoger dan tot nu toe werd gedacht, wat het opsporen zal bemoeilijken.

Extrapolaties van meetuitkomsten van deeltjesversnellers winnen aan betrouwbaarheid bij een preciese waarde van de topquarkmassa. Hoewel het Standaardmodel vele experimentele tests heeft doorstaan, kan het niet het laatste woord zijn. Zo laat het de zwaartekracht buiten beschouwing en in plaats van dat de waarden van tal van constanten (massa's van de deeltjes, elementaire lading, lichtsnelheid) uit het model voortvloeien moeten ze `met de hand', op basis van experimentele uitkomsten, worden ingevoerd. Ook laat het model fundamentele vragen onbeantwoord: Waarom zijn er drie generaties elementaire deeltjes? Waarom lopen de waarden van de massa's zo enorm uiteen? Een veelbelovende uitbreiding van het Standaardmodel is supersymmetrie. Die zegt dat alle deeltjes van het Standaardmodel partnerdeeltjes bezitten, zo zwaar dat ze nog niet zijn ontdekt.

De waarde van de massa van het topquark is overigens pas echt nauwkeurig vast te stellen met een lineaire elektron-positron botsingsversneller. Zo'n machine zal rond 2015 operationeel zijn. Pas dan zijn de experimentele resultaten die LHC en Tevatron de komende tien jaar de wereld in zullen slingeren op waarde te schatten.