We krijgen je wel, Higgs

De jongste onthullingen over het Higgsdeeltje worden door fysici „een prachtig kerstcadeau” genoemd.

Dat cadeau kan ook zomaar weer worden afgepakt. Higgs is een lastpak.

Is die Higgs niet al lang ontdekt, riep een collega een paar jaar geleden. Hij dacht dat dit deeltje nu al ‘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 was – en is – nog in volle gang. Het Cern, de Europese organisatie die op het Higgsdeeltje jaagt, kwam gisteren weliswaar met indrukwekkende aanwijzingen voor het bestaan van het deeltje. Maar definitief bewijs is het nog lang niet. Het is een prachtig kerstcadeau, zeiden fysici, maar wel een cadeau dat nog kan worden afgepakt.

Wat voor beestje is de Higgs in de dierentuin van elementaire deeltjes? Wie gaf hem zijn naam? Hoe jaag je erop? Hoe herken je een Higgsdeeltje? En als we die Higgs te pakken hebben, gaan we dan de deeltjesdierentuin aanharken en wat anders doen?

Vijf vragen, vijf antwoorden.

Wat is de Higgs?

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 daarentegen wel een – piepklein beetje – massa. Net als elektronen en quarks. En net als 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. Al die deeltjes zouden massaloos moeten zijn – volgens een mooie symmetrie. En dat zijn ze 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.

Het Higgsveld verklaart dan weer niet welke massa een deeltje krijgt. Fysici kunnen met het Higgsmechanisme alleen de verhouding tussen de W- en Z-deeltjesmassa’s berekenen. Maar: die klopt perfect met wat eerder op het Cern gemeten is. En dat geeft de meesten van hen vertrouwen in het ingewikkelde mechanisme.

Waarom heet het Higgsdeeltje zo?

Die vraag kun je beter niet stellen aan François Englert en Robert Brout. Toen in 1964 het manuscript van de Schotse fysicus Peter Higgs bij Physical Review Letters arriveerde, stond in dat vakblad net een stuk van deze Brusselse fysici. Op een ingewikkelder manier kwamen zij tot dezelfde conclusie als Higgs. Alleen maakten zij niet duidelijk welke betekenis die had voor elementaire deeltjes. Higgs deed dat wel. In een extra paragraaf, die hij had toegevoegd nadat zijn stuk eerder door het blad Physics Letters was geweigerd. En misschien is juist daarom mijn stuk wel opgevallen en mijn naam aan het deeltje verbonden geraakt, zo opperde hij in 2009.

Er zijn ook fysici, zoals de Spaanse theoreticus Álvaro de Rújula, die het deeltje liever zouden herdopen. In de geest van een oude traditie uit de begintijd van het Standaard Model toen de namen van deeltjes aan het Grieks werden ontleend. Denk proton, neutron, elektron. De Higgs zou dan kenonon moeten heten, naar het Griekse woord voor vacuüm (kenon dus).

Hoe jaag je op een Higgsdeeltje?

Door er heel veel energie in te steken. En dat is wat duizenden fysici op het Cern dertig jaar hebben gedaan en nog doen. Ze bouwden meetapparaten zo groot als kathedralen, met tot op de nanometer verfijnde details. En ze schroefden een deeltjesversneller in elkaar, de LHC, die deeltjes (protonen) in het hart van die meetapparaten op elkaar laat botsen met een energie die niet eerder is vertoond.

Ruim 1.600 ijzig koude en supergeleidende magneten houden die deeltjes op koers in de 27 kilometer lange ondergrondse, zogenoemde versneller-ring. Én geven ze, bij elk van de 10.000 rondjes die ze in een seconde afleggen, een duwtje in de rug. Zo vergaren de onmetelijk kleine deeltjes samen evenveel energie als vijftig twintigtonners die met honderd kilometer per uur over de snelweg denderen. En bij elke botsing tussen twee in tegengestelde richting draaiende deeltjes komt de energie van die twee deeltjes weer vrij en ontstaan nieuwe deeltjes, zoals, misschien dus, de Higgs.

In het ideale geval dan, want een jacht is nooit zonder hindernissen. In 2008 ontplofte een magneet en lag de versneller ruim een jaar plat. Om herhaling te voorkomen draait de versneller sindsdien op halve kracht (bij 3,5 Tera-elektronvolt in plaats van de beoogde 7 TeV).

„Als de natuur vriendelijk is voor ons krijgen we het Higgsdeeltje misschien eind 2012 in het vizier”, zei LHC-onderzoeksdirecteur Sergio Bertolucci begin dit jaar hoopvol. En kijk, de versneller draaide zo vlekkeloos dat zijn wens lijkt te zijn uitgekomen, zelfs eerder dan verwacht. Want de resultaten die gisteren werden getoond, zouden weleens de eerste glimp van de Higgs kunnen zijn.

Hoe herken je een Higgsdeeltje?

Eerst ga je na of het meetapparaat werkt zoals je denkt dat het moet werken en of de meetgegevens kloppen met alles wat al wél bekend is – een heidens karwei. Daarna speur je naar het afwijkende.

Hoe? Een Higgsdeeltje dat met veel moeite ‘uit het vacuüm is geschud’ valt vrijwel meteen weer uit elkaar in andere deeltjes. In twee fotonen bijvoorbeeld, of in twee Z-deeltjes die weer in vier ‘muonen’ (zware elektronen) uiteen vallen. En zo zijn er meer deeltjescombinaties.

Zulke deeltjes duiken, tussen allerlei andere, op in de meetapparaten en laten een karakteristiek patroon van sporen na. Dat zou je de handtekening van de Higss kunnen noemen. Waarvan dus een paar varianten bestaan. En die zoeken fysici op, tussen een oerwoud aan deeltjessporen. Aan de hand ervan stellen ze daarna vast welke energie dat mogelijke Higgsdeeltje had, en dus welke massa (massa en energie zijn equivalent). In dit geval: ruwweg 125 GeV (Giga-elektronvolt). „Het is wel aardig van de Higgs om precies daar op te duiken”, zei Fabiola Gianotti, die gisteren de resultaten van een van de Cern-experimenten, ATLAS, presenteerde. Want juist bij deze energie kan de Higgs op veel verschillende manieren uit elkaar vallen – verschillende handtekeningen zetten – wat de zoektocht vergemakkelijkt.

Sterk is ook dat het CMS-experiment bij Cern nagenoeg hetzelfde ziet als dat ATLAS-experiment waaraan ook fysici van het Nederlands instituut voor deeltjesfysica (Nikhef) werken. „De Higgs is here to stay”, zei een van hen daarom. Maar nog geen champagne, want de kans dat de handtekeningen toevallig gevonden zijn, is nog steeds groter dan 1 op een miljoen – te groot voor een hard bewijs.

Wat nu?

Doorgaan.

En als over een tijd blijkt dat de glimp inderdaad de voorbode was van een echte Higgs? Dan dient de volgende speurtocht zich alweer aan: waarom is die Higgs zo licht?

Het kleine Higgsdeeltje speelt namelijk ook een rol in het heelal. Dat dijt sinds de Oerknal uit en doet dat zelfs steeds sneller. Daar moet een ‘motor’ achter zitten: er moet energie zijn die de sterrenstelsels in het heelal uiteendrijft. En die energie moet ergens in het vacuüm van de kosmos verstopt zitten. Maar ja, als fysici de energiedichtheid berekenen van een vacuüm dat doortrokken is met het Higgsveld van een lichte Higgs, dan vinden ze daarvoor een véél en véél te groot getal (ook wel kosmologische constante genoemd). De som is alleen kloppend te krijgen met een Higgs die erg zwaar is – maar dat lijkt hij dus bepaald niet te zijn.

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

Fysici zijn er niet uit. Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft ziet weinig in zo’n menigte Higgsdeeltjes. „De onderbouwing van die theorieën vind ik niet overtuigend, zodat ik nog steeds verwacht dat er maar één zal zijn.” Nobelprijswinnaar Frank Wilczek hoopt op een lichte Higgs met supersymmetrische deeltjes – hij zette er honderd chocolade Nobelpenningen op in. En er zijn ook fysici, zoals theoreticus Álvaro de Rújula, die het stiekem het spannendst zouden vinden als er géén Higgs zou opduiken.

Alles is nog mogelijk, zeiden de fysici gisteren na afloop van de presentatie. En het is nog lang geen tijd om de dierentuin aan te harken.

    • Margriet van der Heijden