Higgsdeeltje bemoeit zich ook met superzware quarks

Natuurkunde De ontdekking van het higgsdeeltje was in 2012 wereldnieuws, maar veel eigenschappen van het deeltje zijn nog onbekend. Nu hebben onderzoekers gezien dat het deeltje koppelt aan de topquark, het zwaarste elementaire deeltje.

Deeltjesversneller LHC bij Cern in Genève, waar experimenten worden gedaan met het higgsdeeltje, tijdens een onderhoudsbeurt. Foto Istock

Voor het eerst is gezien dat het higgsdeeltje een connectie heeft met de superzware topquarks. Dit werd maandag bekend gemaakt door de twee grote experimenten CMS en ATLAS van de deeltjesversneller LHC (large hadron collider) bij Cern in Genève.

De ontdekking van het higgsdeeltje, dat ervoor zorgt dat materie massa heeft, was in juli 2012 wereldnieuws. Het was het laatste missende puzzelstukje in het standaardmodel, dat alle elementaire deeltjes en hun onderlinge interacties beschrijft. Maar dat betekent niet dat het higgsonderzoek toen klaar was. Veel eigenschappen van het deeltje zijn nog onbekend.

Die eigenschappen proberen onderzoekers te ontdekken door te kijken naar de manier waarop het higgsdeeltje koppelt aan andere deeltjes. „Die koppeling is sterker met zware deeltjes”, zegt hoogleraar Wouter Verkerke, van het onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam en co-programmaleider bij ATLAS.

Veel zwaarder dan zijn broertjes

De topquark is verreweg het zwaarste elementaire deeltje. Het is hetzelfde soort deeltje als up- en downquarks, de bouwstenen van de protonen en neutronen waar atoomkernen uit opgebouwd zijn. Maar de topquark is tienduizenden keer zwaarder dan zijn broertjes en weegt ongeveer 170 keer meer dan een proton (de kern van een waterstofatoom).

Het standaardmodel voorspelt daarom een sterke koppeling tussen het higgsdeeltje en topquarks. Als die koppeling er niet is of anders is dan verwacht, dan kan dat wijzen op nieuwe natuurkunde, die buiten het standaardmodel valt.

Daarom zoeken onderzoekers met de deeltjesversneller LHC naar deze koppeling. Dat doen ze door protonen in de cirkelvormige deeltjesversneller te versnellen tot bijna de lichtsnelheid en ze vervolgens op elkaar te laten knallen. Bij die botsing komt zoveel energie vrij dat er allerlei soorten deeltjes ontstaan. Af en toe zitten daar topquarks en een higgsdeeltje tussen.

Maar de afdruk die topquarks en higgsdeeltjes achterlaten in de detectoren is lastig te onderscheiden van de andere deeltjes die ontstaan tijdens de botsingen in de deeltjesversneller. Dat maakt het waanzinnig moeilijk om te zien of er tegelijkertijd topquarks en een higgsdeeltje geproduceerd zijn. Dankzij slimme analysetechnieken is het nu gelukt om uit de brij van metingen de interessante botsingen te filteren.

Meting is nog onzeker

„Dit is de eerste keer dat we direct gemeten hebben dat die higgs echt meer waarde hecht aan een zware quark dan aan een lichte quark”, zegt Freya Blekman, hoogleraar deeltjesfysica aan de Vrije Universiteit Brussel en werkzaam bij CMS.

Het lijkt er nu op dat het higgsdeeltje zich tijdens de interactie met de topquarks net niet helemaal volgens het standaardmodel gedraagt. „Maar de meting is nu nog zo onzeker dat het ook meetfout kan zijn”, zegt Verkerke. „Aan het eind van het jaar hebben we meer data. Als we die metingen geanalyseerd hebben hopen we meer te weten.”