Het Higgs-deeltje is er. Vier vragen over deze historische vondst

Een afbeelding die CERN vandaag vrijgaf, die onderdeel uitmaakt van het bewijs dat het Higgs-deeltje daadwerkelijk bestaat. Foto AFP

Wat is toch dat Higgs-deeltje dat ze met de deeltjesversneller bij CERN in Genève hoogstwaarschijnlijk hebben gevonden? En waarom was het zo moeilijk om het bestaan ervan te bewijzen?

Journalist Herbert Blankesteijn verwees eerder in NRC Handelsblad naar de glasheldere uitleg van Daniel Whiteson, naar eigen zeggen experimenteel natuurkundige. Hij legt vanuit de kantine van CERN uit waar alle ophef rond het Higgs-boson vandaan komt, wat het is en waarom het zo moeilijk te bewijzen is.

Wat is het Higgs-deeltje?

Om dat te begrijpen vertelt hij eerst waarom natuurkundigen elementaire deeltjes - de bouwsteentjes van atoomkernen en atomen, en dus van sterren, planeten en de aarde met mensen, bomen en magnetrons - met een zo hoog mogelijke energie willen laten botsen met behulp van de inmiddels beroemde deeltjesversneller. Dit doet hij met behulp van een handige metafoor.

Die energie is het ‘budget’ dat bepaalt wat je kunt bestellen van het menu dat de natuur aanbiedt. Hoe harder de botsing, hoe meer energie er wordt omgezet in nieuwe deeltjes. Hoe meer energie er is, hoe meer we te weten kunnen komen over de specifieke eigenschappen van (misschien nog onontdekte) elementaire deeltjes (quarks).

En daar komt de beroemde naam om de hoek kijken: een van deze ‘nog onontdekte’ is (nee, was) het Higgs-boson. Dit deeltje is er verantwoordelijk voor dat de andere quarks massa krijgen.

Volgens de theorie van de Britse natuurkundige Peter Higgs bestaat er een ‘veld’ dat hele universum doordringt. Alle bestaande quarks staan onder invloed van dit Higgsveld, sommigen heel sterk, anderen nauwelijks. In andere woorden: door dit veld hebben deeltjes veel of weinig massa. Wetenschapsredacteur Margriet van der Heijden vergelijkt het met waden door stroop: het ene deeltje ondervindt meer weerstand (en krijgt meer massa) dan het andere.

Waarom duurt het zo lang om het te bewijzen?

Wetenschappers van CERN zijn jaren bezig geweest met het aantonen van het bestaan van het Higgs-deeltje dat actief is in het Higgs-veld. Waarom is dit zo moeilijk?

Zo alomtegenwoordig als het uitgesmeerde Higgs is, zo ongrijpbaar is het als deeltje, legt wetenschapsredacteur Bruno van Wayenburg vandaag uit in NRC Handelsblad:

“Zo gauw het ontstaat uit de enorme energie die vrijkomt bij een botsing, zo snel valt het ook weer uit elkaar in verschillende elementaire deeltjes. Alleen die brokstukken zijn, meteen na een botsing, goed te zien in de detectoren. Maar veel vaker ontstaat er bij een botsing geen Higgs, maar een mix van al bekende deeltjes. Onderscheid maken tussen ‘Higgs- en niet-Higgs-botsingen’ is een kwestie van netjes meten en turven en zware statistiek.”

Om deze reden moeten er astronomisch veel deeltjesbotsingen worden geanalyseerd voordat de data het deeltje ondubbelzinnig laten zien, of niet. Net als bij een foto die een extreem lange belichtingstijd nodig heeft.

Wat levert de ontdekking op?

Van der Heijden legt uit dat het deeltje dat vandaag nagenoeg is aangetoond moet verklaren waarom de elementaire deeltjes 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. 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, en dat wordt dus veroorzaakt door het Higgsveld. Daarom vormt het deeltje de kroon op het Standaard Model.

Met het bewijs kunnen veel belangrijke andere vraagstukken van de natuurkunde worden verklaard. Die kunnen volgens Van der Heijden een bijdrage leveren aan 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.

En wat vindt meneer Higgs zelf van deze vondst?

Een geëmotioneerde Higgs reageerde vandaag verheugd dat hij het bewijs van zijn theorie nog mag meemaken:

“Het leek in het begin, veertig jaar geleden, nog praktisch onmogelijk om het deeltje te vinden, omdat men nauwelijks wist waar ze moesten beginnen met zoeken.”

Vanavond zendt Nederland 2 om 22.45 uur een documentaire uit over het onderzoek dat vandaag is gepresenteerd: Higgs - Naar het Hart van de Verbeelding