De Higgs: nu begint het pas

Natuurkunde Is het nieuwe deeltje dat nu gevonden is de voorspelde Higgs? ‘Het is alsof je iemand van de trein moet halen die je niet kent.’

Ian Sample

Nederland, Amsterdam 20081208. Centraal station van Amsterdam. Central station in Amsterdam. Foto; Sabine Joosten/Hollandse Hoogte Sabine Joosten/Hollandse Hoogte

De zoektocht naar dat esoterische, theoretische deeltje, het Higgs-boson, heeft de grootste wetenschappelijke instrumenten ter wereld voortgebracht en duizenden onderzoekers meer dan twintig jaar beziggehouden. De ontdekking – of waarschijnlijke ontdekking – bij Cern, het instituut voor deeltjesfysica bij Genève, zal de geschiedenis ingaan als een triomf van wetenschap, techniek en collectief keihard buffelen. En nu begint de echte klus.

Maanden en jaren van onderzoek zullen volgen om te bevestigen dat het deeltje inderdaad het moeilijk grijpbare Higgs-boson is. En als dat zo is, dan willen natuurkundigen weten of het het eenvoudigste type deeltje is dat de fysici in hun theorieën hebben geopperd, of iets ongewoners – en spannenders.

“Het is duidelijk dat er nog heel veel meer experimenteel gedaan moet worden, zelfs nadat ze een ontdekking hebben bekendgemaakt”, zegt Steven Weinberg, hoogleraar natuurkunde (universiteit van Texas). Hij kreeg in 1979 de Nobelprijs voor werk aan de wiskunde achter de Higgs-theorie. Daarin liet hij zien hoe twee natuurkrachten, de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht, in het vroege universum één waren.

Het Higgs-boson dook voor het eerst op in een theorie die in 1964 werd ontwikkeld door Peter Higgs van de universiteit van Edinburgh en vijf andere fysici. Het vinden van het deeltje bewijst dat er een energieveld bestaat dat het vacuüm van het waarneembare universum vult. Het geeft massa aan bepaalde subatomaire deeltjes die de bouwstenen vormen van materie en speelt zo een cruciale rol. Het Higgsveld zou een triljoenste van een seconde na de big bang, waarmee het universum ontstond, ‘aangezet’ zijn. Zonder het Higgsveld, of iets anders dat dezelfde functie vervult, zou de structuur van de kosmos fundamenteel anders zijn dan die vandaag de dag is.

Nu ligt er het volgende moeilijke probleem: uitzoeken of het Higgsdeeltje het eenvoudige, eenvormige deeltje is dat het Standaardmodel ondersteunt (een verzameling vergelijkingen die beschrijven hoe alle bekende deeltjes zich gedragen) – of iets complexers.

Familie van Higgsdeeltjes

Het zou kunnen dat het deeltje dat ze nu hebben gevonden er een is van een grotere familie van Higgsdeeltjes. Om daar achter te komen, moeten onderzoekers tot in detail bestuderen hoe het deeltje gemaakt wordt in de LHC-deeltjesversneller en hoe het uit elkaar valt in andere, bekendere deeltjes zodra het wordt gemaakt. “Dat gaat een hoop tijd kosten. Dan heb ik het niet over tientallen jaren, maar wellicht wel jaren, om alle voorspellingen van het Standaardmodel te verifiëren – over hoe het deeltje geproduceerd wordt en hoe het vervalt”, zegt Weinberg.

De wedloop om het Higgsdeeltje te ontdekken, heeft zich aan beide zijden van de Atlantische Oceaan afgespeeld. In de Verenigde Staten gebruikte het Fermilab bij Chicago de enorme Tevatron-deeltjesversneller om naar het deeltje te speuren. In Europa begon Cern de jacht in de jaren 90 met een voorloper van de LHC. De rivaliteit was groot maar de strijd verliep overwegend vriendelijk. Afgelopen maandag hebben wetenschappers van Tevatron, dat vorig jaar werd gesloten door de Amerikaanse overheid, een ‘afscheidsschot gelost’ door een heel nieuw onderzoek vrij te geven met hun sterkste bewijs tot nu toe voor het Higgs-boson. Sommige wetenschappers zagen dat als een poging om het feestje van Cern te bederven. “De timing van Fermilab was onder de gordel”, zegt Philip Anderson, een Nobelprijswinnaar natuurkunde op de universiteit van Princeton.

Cern moet nu alles op alles zetten om zo veel mogelijk informatie over het deeltje te verzamelen voordat de LHC eind dit jaar voor twee jaar dichtgaat, als technici reparaties moeten uitvoeren om de machine later op volle kracht te kunnen laten draaien. Na een heliumgasexplosie die in 2008 een deel van de versneller verwoestte, kon het apparaat nog maar op halve kracht draaien totdat het Higgsdeeltje ontdekt was of simpelweg voor onmogelijk verklaard.

“We moeten nu echt beginnen te begrijpen wat het in vredesnaam is dat we hebben gezien”, zegt Tara Shears, een deeltjesfysicus van de universiteit van Liverpool die bij Cern werkt. “Het is alsof je op een treinstation komt om iemand op te halen die je nog nooit hebt ontmoet. Je komt bij het station, de trein rijdt binnen en er staat iemand op het perron. Je denkt wel dat het diegene is, maar je weet het pas zeker als je naar hem toegaat en het checkt.”

Veel hangt af van wat Cern ontdekt, of niet ontdekt. Sommige fysici vrezen dat het lab alleen de simpelste vorm van het Higgsdeeltje heeft ontdekt en niets exotischers. Dat zou een gat dichten in het Standaardmodel, maar het zou wetenschappers geen aanknopingspunten bieden om andere aanhoudende mysteries in de natuur te begrijpen. Wat is de onzichtbare donkere materie die zich aan melkwegstelsels hecht en bijna een kwart van de massa van de kosmos uitmaakt? Wat is donkere energie, waarvan verondersteld wordt dat die de uitdijing van het heelal veroorzaakt? Waarom zijn we gemaakt van materie en niet van antimaterie? Waarom is zwaartekracht zo zwak? Het Standaardmodel heeft op deze vragen geen antwoord.

Nachtmerrie

“Ik had een nachtmerrie dat Cern het Higgs-boson ontdekte en vervolgens niets meer”, zegt Weinberg. “Het Higgsdeeltje ontdekken, hoe fijn dat ook is, biedt geen enkele aanwijzing om voorbij het Standaardmodel te kunnen gaan.” Ondanks intensieve inspanningen heeft de LHC tot nu toe nog niets onverwachts gevonden. “Ik vind het een heel deprimerend idee, dat dit misschien nog tientallen jaren lang de laatste grote ontdekking zal zijn.”

Frank Wilczek, een hoogleraar aan het Massachusetts Institute of Technology die in 2004 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg, is optimistischer over de vooruitzichten van Cern. “Tot nu toe komt dit allemaal overeen met de minimale, spaarzame versie van het Standaardmodel. Er is geen enkel teken van iets extravagants, maar er is genoeg ruimte voor. Dit terrein is nog niet verkend.”

Er zijn bijvoorbeeld verschillende varianten van de zogeheten supersymmetrie-theorie die een familie van Higgsdeeltjes voorspellen. Volgens die theorie hebben alle bekende soorten deeltjes in de natuur zware, onzichtbare partnerdeeltjes die nog ontdekt moeten worden. Tot nu toe is er in de LHC nog geen indicatie gezien van die supersymmetrische deeltjes, die namen hebben als squarks en stops en gluinos. Een van dingen die zo aantrekkelijk zijn aan supersymmetrie is dat de theorie laat zien hoe drie van de vier fundamentele natuurkrachten (sterke en zwakke kernkracht en elektromagnetische kracht) één waren in het vroege universum; alleen de zwaartekracht blijft onverklaard. Sommige deeltjes die de supersymmetrie-theorie voorspelt, zijn de voornaamste kandidaten om donkere materie te verklaren.

De LHC was nooit louter een Higgsjager. Andere onderzoeksprogramma’s hopen donkere materie, donkere energie en antimaterie te begrijpen, en zoeken naar extra ruimtelijke dimensies. Verborgen extra dimensies zitten verweven in de snaartheorie, een ambitieus deelgebied van de natuurkunde dat deeltjes beschrijft als minuscule vibrerende draadjes van energie.

“De LHC staat pas aan het begin van het proberen te begrijpen van het onbekende in het universum”, zegt Shears. “Iedere ontdekking in een van deze gebieden zal ons begrip van het universum heel ver oprekken. We hebben de LHC speciaal daarvoor gebouwd.”

© Guardian News & Media Ltd 2012