Nog geen champagne voor Higgs

De kans dat Cern toevallige piekjes heeft gemeten in plaats van Higgsdeeltjes is nog groter dan 1 op miljoen. In de deeltjesfysica mag dat geen ontdekking heten.

Is die Higgs niet al lang ontdekt, riep een collega. Hij dacht dat dit deeltje allang ‘onder ons’ was, zo veel was er geschreven en gezegd over deze heilige graal van de natuurkunde, deze kroon op het zogenoemde Standaard Model van de elementaire deeltjes, de bouwstenen van materie.

Niet dus. De zoektocht is nog in volle gang. Want: hoe veelbelovend de gisteren gepresenteerde resultaten ook lijken, ze zijn nog te mager om van een ontdekking te spreken.

Het Higgsdeeltje moet verklaren waarom de elementaire deeltjes – de bouwsteentjes van atoomkernen en atomen, en dus van sterren, planeten en de aarde met mensen, bomen en magnetrons – massa hebben. Niet alle deeltjes hebben dat. De elektromagnetische kracht die elektronen om atoomkernen laat cirkelen, werkt via fotonen – en die zijn massaloos. Net zoals de gluonen die quarks aan elkaar lijmen tot kerndeeltjes. Neutrino’s hebben wel een – piepklein beetje – massa. Elektronen en quarks ook. Net als de W- en Z-deeltjes, die de zwakke kernkracht dragen die atoomkernen uit elkaar laat vallen tijdens radioactief verval.

Maar daar zit nou juist het probleem. Want het Standaard Model dat al die bouwsteentjes en hun interacties beschrijft, staat in beginsel geen massa toe. Alle deeltjes zouden massaloos moeten zijn – volgens een mooie symmetrie. En dat zijn ze duidelijk niet.

Enter de Higgs. Beter: het Higgsveld waaruit dit deeltje voortkomt. Dat Higgsveld vult het vacuüm in de kosmos en biedt weerstand aan de elementaire deeltjes die erin bewegen. Zo kunnen sommige deeltjes tóch massa vergaren. Een metafoor daarvoor is de asymmetrie die nerven aanbrengen in hout: deeltjes die met de nerf meereizen ondervinden geen enkele weerstand (zoals lichtdeeltjes) terwijl deeltjes die haaks op de nerf bewegen juist worden afgeremd. Ze worden traag en zwaar, zoals dus de materie waaruit sterren, planeten en mensen bestaan.

Welke massa een deeltje krijgt verklaart het Higgsveld niet. Fysici kunnen met het Higgsmechanisme alleen de verhouding tussen de W- en Z-deeltjesmassa’s berekenen. Dat getal klopt perfect met wat eerder op het Cern gemeten is. En dat geeft de meesten van hen vertrouwen in het complexe mechanisme.

Ze hebben ook vertrouwen in de laatste meetresultaten, zeiden deeltjesfysici gisteren na de presentaties op Cern over de ‘belangrijke stap’ in de zoektocht naar die Higgs. „De Higgs is here to stay”, belooft Paul de Jong, op het Nikhef, het Nederlands instituut voor deeltjesonderzoek. Hij werkt mee aan van de twee experimenten bij de grote LHC-versneller op Cern, het ATLAS-experiment. Net als diens tegenhanger, het CMS-experiment, bestaat dat uit een meetapparaat als een kathedraal, met tot op de nanometer verfijnde details. In het hart van de twee apparaten botsten de afgelopen twee jaar deeltjes (protonen) op elkaar met een ongelooflijke energie (3,5 Teralektronvolt op 3,5 Teraelektronvolt). Want alleen bij zulke energieën kan de Higgs tevoorschijn komen, tussen miljarden andere deeltjes die bij zulke botsingen weg spatten.

Maar echt te pakken hebben ze hem niet. Het ATLAS-experiment vond zo’n honderd kandidaat-Higgsdeeltjes bij een energie van 126 GeV (Gigaelektronvolt). Het CMS-experiment vond een vergelijkbaar aantal bij 124 GeV. Omdat energie en massa equivalent zijn, zou dat een aanwijzing zijn voor een Higgs met een massa van ongeveer 125 GeV. Een weinigzeggend getal, maar voor fysici in elk geval: aan de lichte kant.

Maar: de kans dat het om toevallige meetsignalen gaat in plaats van Higgsdeeltjes is nog altijd groter dan 1 op miljoen. In de deeltjesfysica mag dat geen ontdekking heten. „Geen champagne”, zei Nikhef-directeur Frank Linde. Pas eind volgend jaar kunnen we aantonen dat het deeltje werkelijk bestaat, zeiden ook de fysici op Cern. Of niet dus.

„Als hij bestaat dan is het in elk geval aardig dat de Higgs precies met deze massa opduikt”, zei Fabiola Gianotti gisteren tijdens haar presentatie van de ATLAS-meetresultaten op Cern. Zo’n Higgs van 125 GeV kan namelijk uit elkaar vallen in allerlei verschillende combinaties van andere deeltjes. En juist aan die deeltjescombinaties, die een kenmerkend patroon in de meetapparaten achterlaten, kunnen fysici het Higgsdeeltje indirect herkennen. Ze vormen de handtekening van de Higgs, en hoe meer verschillende handtekeningen het deeltje heeft, hoe makkelijker het te vinden is.

Nog iets: als je verschillende handtekeningen vindt die allemaal tot een Higgskandidaat met dezelfde massa te herleiden zijn, maakt dat de vondst overtuigender. Maar na voorzichtig enthousiasme daarover gingen fysici gelijk weer op de rem staan. „Het zou niet de eerste keer zijn dat een sterke aanwijzing voor een deeltje later weer verdwijnt”, waarschuwden de oude rotten.

En als dit later toch de eerste glimp van een echte Higgs blijkt te zijn? Dan ligt de volgende vraag al klaar: waarom is die Higgs zo licht? De vraag hangt samen met het huishoudboekje waarin kosmologen de balans van de energie en de materie in de kosmos opmaken. Die nauwkeurig afgestelde balans geeft het uitdijende heelal vorm. En een van de getallen erop is de kosmologische constante, maat voor de energie die in het vacuüm in de kosmos besloten ligt. Maar als fysici de energiedichtheid berekenen van een vacuüm dat doortrokken is met het Higgsveld van een lichte Higgs, dan vinden ze een véél en véél te groot getal.

Heeft dat met extra dimensies te maken? Valt dat te verklaren met een nieuwe generatie ‘supersymmetrische’ deeltjes – raadselachtige dubbelgangers van de bekende deeltjes? Betekent het dat de Higgs vijf of meer verschijningsvormen heeft en daarom zo lastig vast te pinnen is?

Alles is nog mogelijk, zeiden de fysici gisteren. Zelfs dat er géén Higgs bestaat dus.

    • Margriet van der Heijden