Het Higgsdeeltje

“Ik denk dat we hem hebben”, waren de woorden van CERN-directeur Rolf Dieter Heuer toen hij op 4 juli 2012 de vondst van een Higgsachtig deeltje bekendmaakte. Mocht het echt om het Higgsdeeltje gaan, zou het één van de grootste ontdekkingen van de afgelopen vijftig jaar zijn. Honderden natuurkundigen hebben hun leven gewijd aan het zoeken naar dit ene deeltje. Miljarden euro’s zijn er tegenaan gegooid. Maar waarom ook alweer? Wat maakt dit deeltje zo bijzonder? In vijf vragen (en antwoorden) ben je weer helemaal bijgepraat.

1. Wat is het Higgsdeeltje?
2. Waarom heet het deeltje zo?
3. Wat maakt dit deeltje zo belangrijk?
4. Hoe kun je het deeltje aantonen?
5. Klopt het dat het Higgsdeeltje nu is gevonden?

1. Wat is het Higgsdeeltje?

In één zin: het Higgsdeeltje helpt verklaren hoe andere deeltjes hun massa krijgen. Dat is althans wat je meestal hoort. Maar wat betekent dit nu eigenlijk? Centraal staat het concept van massa. Massa zegt hoeveel ‘spul’ iets bevat. Dat wij massa hebben lijkt vanzelfsprekend, net als dat jij meer massa hebt dan een hond en dat de zon vele malen meer massa heeft dan jij en een hond bij elkaar. Vanzelfsprekend misschien, maar ook essentieel: zonder massa zouden we niet bestaan. Dan zou alles met de lichtsnelheid kriskras door elkaar vliegen, zonder dat er eens iets ‘stabiels’ overblijft.

Kortom, de vraag is: waarom bestaat er zoiets als massa? Of beter, hoe komen de elementaire deeltjes waaruit wij en alle andere materie is opgebouwd aan hun massa? De oplossing van natuurkundigen is iets wat we het Higgsmechanisme noemen. Dit zegt dat er een energieveld bestaat, het Higgsveld, dat zich over het hele universum uitstrekt. Voor ons onzichtbaar, maar voelbaar voor elementaire deeltjes. Dit veld werkt als een soort enorme strooppot: deeltjes worden erdoor afgeremd. En iets dat moeilijker vooruitkomt is in feite zwaarder. Zo voelt een kast die je verplaatst over het tapijt zwaarder dan als je deze over ijs zou duwen. In welke mate een deeltje door het veld wordt afgeremd, bepaalt hoe ‘zwaar’ het is. Sommige deeltjes, zoals het foton, merken niets van het veld en zijn dus ‘massaloos’.

Dat tegenwoordig alleen nog de naam van Higgs aan het deeltje verbonden wordt is te danken aan de Koreaanse natuurkundige Ben Lee die eind jaren zestig sprak van een ‘Higgsdeeltje’. Op de een of andere manier werd dat opgepikt door anderen. Neemt niet weg dat er nog altijd gekibbeld wordt over de naamgeving. Niet zo gek natuurlijk nu mogelijk een Nobelprijs in het verschiet ligt (zie kader hiernaast).

In 2010 ontstond bijvoorbeeld een klein relletje toen Brout, Englert en Higgs wel werden uitgenodigd voor een conferentie over het Higgsdeeltje, maar Guralnik, Hagen en Kibble niet. En dit jaar nog gingen serieus stemmen op het deeltje de naam ‘BEH-boson’ (naar Brout, Englert en Higgs) of het meer anonieme ‘SM boson’ te geven (naar het Standaardmodel). Het heeft weinig kans, daarvoor is het ‘Higgsdeeltje’ te ingeburgerd.

3. Wat maakt dit deeltje zo belangrijk?

Het belang van het Higgsdeeltje voert in feite terug tot die ene belangrijke vraag: waar is de wereld om ons heen uit opgebouwd? Welke basisbouwstenen bestaan er die zelf niet meer uit kleinere deeltjes bestaan? In de loop van de twintigste eeuw is deze verzameling van ‘elementaire deeltjes’ stap voor stap groter geworden. De complete beschrijving hiervan kennen we nu als het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

In de LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en op elkaar gebotst. De energie die hierbij vrijkomt is zo enorm dat allerlei nieuwe deeltjes, waaronder het Higgsdeeltje, gevormd kunnen worden. Het is alsof er een menukaart bestaat met deeltjes waarbij voor elk deeltje een hoeveelheid energie nodig is. Maak je die hoeveelheid, dan heb je kans dat je gewenste deeltje gemaakt wordt.

De nieuwe deeltjes die gevormd worden, ook een eventueel Higgsdeeltje, zullen echter zeer snel vervallen naar andere, stabielere deeltjes. De enorme detectoren die staan opgesteld langs de ring, in het geval van de Higgs-zoektocht zijn dat de detectoren ATLAS en CMS, vangen de brokstukken op van de botsingen. Vervolgens is het dus zaak hieruit te reconstrueren welke deeltjes moeten zijn gevormd. Stel je een kruispunt voor waar allerlei auto’s op elkaar zijn gebotst en dat je hieruit moet zien uit te vinden hoe het ongeluk stap voor stap tot stand kwam.

Het Standaardmodel vertelt op welke manieren een Higgsdeeltje gevormd kan worden, maar ook op welke manieren het kan vervallen, en in welke verhoudingen. Onderzoekers van CERN zoeken dus in de bergen data die de versneller oplevert naar sporen van deze vervalreacties. Dat is als het zoeken naar het speld in een hooiberg, want deze vervalreacties kunnen ook door andere deeltjes veroorzaakt worden. Hoe weet je zeker dat daar een Higgsdeeltje is gevormd en niet toevallig iets anders?

Door het experiment maar vaak genoeg te herhalen totdat het patroon zichtbaar wordt. Als je een muntje tien keer opgooit en er komt acht keer kop, dan kun je dat nog toeval noemen. Doe je het honderd keer en je hebt tachtig keer kop, dan begin je te vermoeden dat er iets met de munt is. Bij achthonderd keer kop uit duizend worpen weet je vrijwel zeker dat het geen toeval meer is. Zo is het ook bij het zoeken naar aanwijzingen voor het Higgsdeeltje. In deeltjesexperimenten ligt de lat voor een ontdekking echter bijzonder hoog. De kans dat het om een toevalstreffer gaat moet kleiner zijn dan 1 op 3.500.000.

Het probleem bij het Higgsdeeltje was dat zijn precieze massa niet uit het Standaardmodel berekend kon worden. In de afgelopen jaren is men dus in eerste instantie bezig geweest de massa’s die het Higgsdeeltje níet kan hebben uit te sluiten. Zo werd het net rondom het deeltje steeds verder gesloten, tot in december vorig jaar de LHC een eerste sterke aanwijzing toonde dat het Higgsdeeltje een massa had rond 125 GeV (giga-elektronvolt, de standaardeenheid voor massa in de deeltjesfysica), ongeveer 133 keer de massa van een proton. De nieuwste metingen in juli maakten het signaal nauwkeurig genoeg om officieel te spreken van ‘een ontdekking’.

5. Klopt het dat het deeltje nu is gevonden?

Nee, dat kun je niet met zekerheid zeggen, ook al leken veel media dat te suggereren. Wat we zeker weten is dat CERN een nieuw deeltje heeft gevonden. En ook is het zo dat de eerste tekenen van het gedrag van dit deeltje overeen lijken te komen met wat je verwacht van het Higgsdeeltje. Maar nog niet over alle eigenschappen is duidelijkheid. Je kunt dus op zijn best spreken van de vondst van een ‘Higgsachtig’ deeltje.