Begin juli 2012 werd de ontdekking van het Higgsdeeltje aangekondigd door wetenschappers van het Europese deeltjeslaboratorium CERN. De natuurkundige wereld verkeerde in een euforische stemming, maar duidelijk was dat er nog veel onbekend was over het zojuist ontdekte deeltje. Hoe staat het inmiddels met het voormalige meest gezochte deeltje van de wereld? Kennislink vraagt het deeltjesfysicus Nicolo de Groot.
Lang was er met de enorme deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) al gespeurd naar het Higgsdeeltje, waarvan het bestaan in de jaren ’60 van de vorige eeuw al werd voorspeld door een groep natuurkundigen. Maar op 4 juli 2012 hadden de duizenden betrokken natuurkundigen genoeg bewijs in handen om de ontdekking wereldkundig te maken: het meest gezochte deeltje ter wereld was gevonden.
Een deel van de 27 kilometer lange tunnel waarin de LHC is opgesteld.
ATLAS Experiment/CERNInmiddels ligt de LHC al bijna een half jaar stil voor een upgrade. Maar het onderzoek naar het Higgsboson gaat onverminderd door. Een van de onderzoekers die nog dagelijks met het deeltje bezig is, is Nicolo de Groot. Hij is professor aan de afdeling Experimentele Hoge-Energiefyscia van de Radboud Universiteit Nijmegen en heeft de afgelopen jaren met succes de gevoeligheid van de ATLAS-detector voor Higgsdeeltjes weten te vergroten.
Kennislink spreekt De Groot via een videoverbinding vanuit Genève, waar hij iedere zomer ongeveer een maand verblijft. Deels voor vakantie, maar zoals hij het zelf zegt ook om hard te werken. De ondergrondse ring van de LHC ligt namelijk daar, tussen de hoge pieken van het Alpenmassief. De tijd in Zwitserland gebruikt De Groot om direct met zijn collega’s van het CERN te kunnen samenwerken.
Professor De Groot, wat weten we momenteel van het Higgsdeeltje?
“Dat het bestaat. Bij de aankondiging vorig jaar juli was de kans dat de ontdekking op toeval berustte 0,00008 procent. Sinds dat moment zijn er nog tweemaal zoveel metingen gedaan als in het hele traject daarvoor en dat heeft het bestaan van het deeltje met zeker een factor miljoen zekerder gemaakt.”
“Maar ondertussen worden ook langzaam zijn eigenschappen bekend. We kennen het gewicht van het deeltje, ruim 125 GeV. Dit gegeven maakt de zoektocht naar zijn eigenschappen een stuk makkelijker. Aangezien we precies weten waar we moeten zoeken in de enorme hoeveelheid gegevens die de LHC produceert.”
Bij deze botsing die in juni 2012 door de ATLAS-detector werd waargenomen is mogelijk het verval van een Higgsdeeltje te zien. Vergroot voor meer uitleg.
ATLAS Experiment/CERN“Verder is vrij zeker dat de spin van Higgs nul is. Dat kun je je voorstellen als een deeltje dat niet om zijn eigen as draait. Er is overigens wel nog een mogelijkheid dat de spin het deeltje een soort mengtoestand is van nul en een ander getal. De enige manier om daarachter te komen is door meer experimenten te doen.”
“Al met al wordt duidelijk dat dit deeltje in ieder geval veel weg heeft van het Higgsdeeltje dat door het Standaardmodel wordt voorspeld.”
Wat weten we momenteel nog niet van het Higgsdeeltje?
“Of dit het enige Higgsdeeltje is. Dat kan worden ontdekt door naar andere botsingsenergieën te kijken en te onderzoeken of de koppeling aan bekende deeltjes van het nu gevonden Higgsdeeltje klopt met de voorspellingen. Als dat afwijkt dan kan dat duiden op meerdere ‘Higgsen’. Dat zou natuurkundig gezien echt spectaculair zijn.”
“Verder is er weinig bekend over de zeldzame processen waarbij Higgs betrokken moet zijn, bijvoorbeeld de koppeling met lichtere deeltjes. Aangezien Higgs verantwoordelijk is voor de massa van deeltjes zou die koppeling in principe minder sterk moeten zijn. Maar dat is nog niet getest. Om dat te onderzoeken moeten we nog veel meer metingen doen.”
“Maar ook de koppeling met zwaardere deeltjes komt nog aan bod in vervolgexperimenten. De huidige metingen komen voor 30 tot 70 procent overeen met de voorspellingen. Dat klopt redelijk, maar niet helemaal… Wat hier aan de hand is moet verder worden uitgezocht.”
Waarom ligt de LHC momenteel stil?
“Eind 2008 ging er iets mis met de verbindingen tussen twee supergeleidende magneten van de versneller. Een vat met vloeibaar helium ging kapot waardoor een groot aantal magneten niet meer werden gekoeld. 53 Magneten gingen stuk en moesten worden vervangen, wat toen een jaar vertraging opleverde.”
“Om te voorkomen dat zo’n ongeluk nog een keer gebeurt worden nu alle verbindingen tussen de magneten gecontroleerd en voorzien van een extra beveiliging. Daarvoor moet al het vloeibare helium uit het systeem worden gehaald waardoor de magneten opwarmen tot kamertemperatuur. Dat hele proces kost veel tijd, maar zorgt ervoor dat de machine straks veilig op hogere energieën kan functioneren.”
Wat hebben wetenschappers aan een LHC die met nog hogere energie deeltjes laat botsen?
“We kunnen mogelijk nu nog onbekende, zwaardere deeltjes uit de botsingen genereren. De voorspelling is dat we dan ook veel meer Higgsdeeltjes zullen zien, omdat ze een sterkere koppeling hebben met zware deeltjes.”
“Het mooie vind ik dat je nu al ziet dat het Higgsdeeltje binnen een jaar tijd van de ‘heilige graal’ van de deeltjesfysica tot een onderzoeksinstrument is verworden. Aangezien ze gebruikt kunnen worden om zwaardere van lichtere deeltjes te onderscheiden in de versneller.”
Dus de Higgs-ontdekkingstocht gaat eind 2014 weer in alle hevigheid verder?
“Nou, eerst zal natuurlijk gekeken worden of alles naar behoren functioneert. Werkt alles en hebben we dezelfde resultaten als voorheen? Daarna kunnen we de energie waarop de versneller werkt gaan opvoeren. Het is dan eerst de vraag of we bij deze hogere energieën nieuwe deeltjes gaan waarnemen.”
“Parallel loopt het verdere onderzoek aan het Higgsdeeltje. Het waarnemen van een Higgsdeeltje is een vrij zeldzaam proces dus om het goed te onderzoeken zijn veel botsingen nodig. Het is echt een kwestie van de lange adem.”
Wanneer zal Higgs geen geheimen meer voor ons hebben?
“Pas over anderhalf jaar kunnen er weer nieuwe metingen gedaan worden. Ik denk dat we in de jaren daarna veel meer te weten zullen komen over Higgs.”
“Over vijf jaar kennen we hopelijk de meeste geheimen van het deeltje. Zo zou het Higgsdeeltje ook met zichzelf moeten kunnen reageren. Dat proces is heel erg zeldzaam en dat onderzoek vergt veel metingen. Maar als dat is onderzocht dan hebben we naar mijn mening echt het laatste vinkje gezet.”