higgsdeeltje

Lawrence Krauss toonde aan dat onzichtbare deeltjes via het Higgsmechanisme in principe donkere energie kunnen opwekken. Bron: Arizona State University

‘Higgs-boson verklaart donkere energie’

Het Higgsboson is het laatste deeltje dat door het Standaardmodel werd voorspeld en is ontdekt – althans, zo lijkt het. Nieuw werk van natuurkundige Laurence Krauss wijst erop dat het Higgsboson kan verklaren waarom het heelal steeds sneller uitzet – de mysterieuze ‘donkere energie’.

Wat is het Higgsdeeltje?
Het Higgsdeeltje is een deeltje met spin nul (wat betekent dat het bijbehorende Higgsveld alleen een sterkte, maar geen richting heeft). Het Higgsdeeltje kent een wisselwerking met bepaalde elementaire deeltjes in het Standaardmodel (om precies te zijn: quarks, leptonen, neutrino’s en de W- en Z-deeltjes). Deze wisselwerking, het Higgsmechanisme, is volgens de theorie achter het Higgsdeeltje de reden dat we bij deze deeltjes massa waarnemen.  Persoonlijk vind ik het Higgsdeeltje een onding, maar nu overtuigend is aangetoond dat het deeltje bestaat, moet ik het hoofd buigen voor de minst onbetrouwbare bron van waarheid, experimenteel onderzoek.

Wat is donkere energie?
In de tijd dat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie opstelde geloofden astronomen nog massaal in het steady state heelal. In zijn beroemde zwaartekrachtsvergelijking, [latex]R_{\mu \nu} – {1 \over 2}g_{\mu \nu}\,R + g_{\mu \nu} \Lambda = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu \nu}[/latex], introduceerde Einstein een zogeheten kosmologische constante, in de formule hierboven weergegeven door de Griekse hoofdletter lambda (Λ). Zijn theorie voorspelde dat het heelal zonder deze constante Λ, in zijn oorspronkelijke versie negatief van waarde, uit zou zetten. Later werd door o.m. de astronoom Hubble ontdekt dat het heelal uitzet, wat de kosmologische constante overbodig maakte (m.a.w. Λ=0). Einstein noemde de introductie van deze constante later “de grootste blunder van zijn leven”. Deze opmerking bleek vier decennia na Einsteins dood voorbarig. Het heelal zet namelijk niet alleen uit, ontdekten astronomen in 1998, het zet steeds sneller uit! Er bestaat dus wel degelijk een Î›, maar dan met een positieve waarde. Het verschijnsel dat we aanduiden met donkere energie is verantwoordelijk voor Î›. Erg groot is de donkere energie niet, naar dagelijkse maatstaven: 10−29 g/cm3. De donkere energie in het volume van de aarde is bijvoorbeeld tien milligram, het energie-equivalent van tien suikerkorreltjes dus. Omdat het volume van het heelal enorm groot is, is de energieinhoud van de donkere energie toch vele malen groter dan die van alle ‘massa in het heelal.

Lawrence Krauss toonde aan dat onzichtbare deeltjes via het Higgsmechanisme in principe  donkere energie kunnen opwekken. Bron: Arizona State University
Lawrence Krauss toonde aan dat onzichtbare deeltjes via het Higgsmechanisme in principe donkere energie kunnen opwekken. Bron: Arizona State University

‘De slechtste voorspelling uit de geschiedenis van de natuurkunde’
Er worden al een klein eeuw verwoede pogingen gedaan om dit resultaat in overeensteming te brengen met de andere grote theorie uit de natuurkunde, de kwantummechanica. Kwantumveldtheorieën voorspellen dat het vacuüm inderdaad een nulpuntsenergie heeft, maar deze waarde is 10120 maal groter dan de werkelijk gemeten waarde van de kosmologische constante. Zou dit kloppen, dan zou een kubieke centimeter vacuüm meer massa hebben dan vele malen het zichtbare heelal. Kortom: hier klopt iets echt niet.

Higgsdeeltje als reddende engel
In zijn nieuwe artikel denkt Krauss – ook een Higgs-scepticus tot het bittere einde – een oplossing gevonden te hebben voor dit nijpende dilemma. Zoals eerder opgemerkt, geeft het Higgsveld een kleine massa aan bepaalde deeltjes. Krauss en collega Dent stellen nu voor dat er nauwelijks-waarneembare deeltjes bestaan, die op zwakke wijze wisselwerken met het Higgsveld. Door deze zwakke wisselwerking ontstaat de zeer zwakke positieve energie van het vacuüm, die het heelal uit elkaar drijft. Omdat de wisselwerking met ons waarneembare universum extreem zwak is, liggen hun effecten ver onder onze detectiedrempel. Uiteraard is dit het verplaatsen van het probleem – er worden nieuwe, door Krauss niet nader gespecificeerde, deeltjes gepostuleerd – maar dergelijke deeltjes komen wél voor in gangbare kwantumveldtheorieën die de inflatiefase van het vroege heelal beschrijven. Kortom: natuurkundigen kunnen nu op zoek naar deeltjeskandidaten die verantwoordelijk zijn voor de ‘onzichtbare wereld’ die ons heelal steeds verder en sneller uit elkaar rukt

Bronnen
On the trail of dark energy: physicists propose Higgs boson ‘portal’, Arizona State University News (2013)
Krauss, Lawrence M., Dent, James B., Higgs Seesaw Mechanism as a Source for Dark Energy, Physical Review Letters (2013), gratis ArXiv versie

Is wat het CERN ontdekt heeft wel het HIggsdeeltje? Bron: artikel

‘Higgs mogelijk nep’

Tenminste twee andere (quasi)deeltjes kunnen zich voordoen als het langgezochte deeltje, volgens een nieuwe analyse van CERN-data. Welke van de drie mogelijkheden is het?

Is wat het CERN ontdekt heeft wel het HIggsdeeltje? Bron: artikel
Is wat het CERN ontdekt heeft wel het HIggsdeeltje? Bron: artikel

Toch geen Higgs?
Het CERN hield bij de aankondiging van de ontdekking van het Higgsdeeltje nog de nodige slagen om de arm. In de formulering van het CERN ging het om een boson, dat ‘consistent is met het langgezochte Higgsboson’. Deze voorzichtigheid van het CERN is terecht, aldus de Amerikaanse auteurs van een nieuw artikel met de heftige titel: Have We Observed the Higgs (Imposter)? Wat natuurlijk de vraag oproept: als het deeltje niet het Higgsdeeltje is, wat dan wel? Ian Low van de voormalige concurrent van het CERN, Argonne National Laboratory in Illinois met de nu buiten bedrijf zijnde Tevatron, en een aantal collega’s spitten door de CERN-data in een poging om licht op deze vraag te werpen.  Hun conclusie: de data is consistent met niet alleen het Higgsboson, maar met twee andere deeltjes die verschillen van het standaard Higgsboson.

Dubbelzinnige ‘handtekening’
Het identificeren van deeltjes is verre van eenvoudig. Waar stabiele deeltjes als bijvoorbeeld fotonen of elektronen een duidelijk voorspelbaar gedrag kennen, geldt dit niet voor de instabiele, zware deeltjes als W-bosonen en nu het veronderstelde Higgsdeeltje. Deze deeltjes bestaan extreem kort voor ze uiteenvallen in een waaier van lichtere deeltjes, die elk een deel van de energie met zich meedragen. Volgens de voorspelling van Peter Higgs moet het Higgsdeeltje slechts kort bestaan voor het uiteenvalt. De enige aanwijzing voor het bestaan van een Higgsdeeltje zijn dus de vervalproducten die vrijkomen. Dit kunnen bijvoorbeeld een paar Z-bosonen of fotonen zijn. Helaas is het spoor dat het vermeende Higgsdeeltje achter heeft gelaten niet uniek, aldus de groep deeltjesfysici.

Wie van de drie?
Volgens de groep-Low zijn er verschillende theoretische mogelijkheden. Van de vier (of liever gezegd vijf) theoretische mogelijkheden is één (resp. 2) mogelijkheid, dat wat gemeten is een trilling is, dus zuiver een fopdeeltje door de kwantummenging van andere deeltjes, uitgesloten door de waarnemingsdata. Eén van de drie overgebleven mogelijkheden is dat de data inderdaad afkomstig zijn van een ‘singlet’, een enkelvoudig deeltje dus, m.a.w. het Higgsboson, zoals door het Standaardmodel voorspeld. De andere twee, volgens de auteurs even waarschijnlijke opties zijn dat de data een meer exotische theorie bewijst. In deze theorie  bestaat het Higgsboson in de vorm van een doublet of triplet ‘imposter’: geen werkelijk elementair deeltje dus maar een samengesteld deeltje (dat overigens wel uit nog onbekende deeltjes zal bestaan en dus fysisch wel degelijk erg interessant is).

Beide laatstgenoemde mogelijkheden geven een vergelijkbaar goede ‘fit’ voor de waargenomen frequenties. Zowel het voorspelde spoor van het standaard Higgsdeeltje als die van het doublet en triplet samengestelde deeltje liggen binnen het (rode) één-sigmagebied, het gebied waarbinnen met 68,3% zekerheid de waarde ligt. Het triplet fopdeeltje scoort zelfs in één maat, de getoonde,  iets beter. Over het algemeen scoort het standaardmodel Higgs echter het best. Op dit moment weten we het nog niet definitief. Eén sigma is uiteraard niet erg indrukwekkend. Pas als er veel meer metingen zijn verricht, wordt het betrouwbaarheidsgebied zo klein, dat een ondubbelzinnige uitspraak is te doen. Een niet-standaardmodel Higgs zou spectaculair nieuws zijn, want zo kunnen we een compleet nieuwe wereld ontdekken.

Onbekende woorden of begrippen? Raadpleeg Natuurkunde 101

Bron
Low et al., Have We Observed the Higgs (Imposter)?, ArXiv preprint server (2012)

De zestien bekende deeltjes van het Standaardmodel: quarks, leptonen en ijkbosonen (van elke quark en lepton is er ook een antideeltje).

Wat is het Higgsdeeltje?

Volgens de meeste natuurkundigen moet het er toch echt zijn: het Higgsdeeltje. Helaas wil het niet echt meewerken om ontdekt te worden. Waar is het Higgsdeeltje voor nodig en waarom denken de meeste natuurkundigen, ondanks het vrijwel afwezige experimentele bewijs, dat het wel móet bestaan?

Waarom is er zoiets als het Higgsdeeltje nodig?

wat is het higgsdeeltje
De zestien bekende deeltjes van het Standaardmodel: quarks, leptonen en ijkbosonen (van elke quark en lepton is er ook een antideeltje). Nu is er ook het Higgsdeeltje.


In het Standaardmodel van de natuurkunde komen alle natuurverschijnselen, de zwaartekracht uitgezonderd, voort uit drie (of liever gezegd: twee) krachten: de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht. Beide laatste krachten blijken manifestaties van één kracht te zijn: de elektrozwakke kracht.

Dit model beschrijft alle bekende deeltjes: quarks, leptonen (zoals elektronen en neutrino’s) en ijkbosonen (fotonen, gluonen, W- en Z-deeltjes), vrij aardig. Ook samengestelde deeltjes, zoals de uit drie quarks bestaande protonen en neutronen, kunnen goed worden beschreven.

Waar komt massa vandaan?

Er is echter één probleem: massa. De vergelijkingen van het Standaardmodel verklaren niet waarom bijvoorbeeld de massa van het W-boson veel groter is dan die van een elektron of neutrino of waarom fotonen geen massa hebben en quarks wel. Of, waarom de massa’s van de deeltjes zo groot zijn als ze zijn.

Higgsmechanisme

Om die reden is het zogeheten Higgsmechanisme geïntroduceerd in het Standaardmodel. Volgens de theorie is ruimtetijd gevuld met een zee van Higgsdeeltjes, die samen het Higgsveld vormen. Deze deeltjeszee vormt een soort stroop, waar deeltjes als elektronen, quarks en Z-bosonen doorheen waden.

Hoe sterker de interactie met de Higgsdeeltjes, hoe trager de deeltjes, m.a.w. hoe zwaarder ze zijn. Fotonen en gluonen reageren helemaal niet met Higgsdeeltjes, waardoor ze massaloos zijn. W- en Z-deeltjes reageren heel sterk, waardoor ze zeer zwaar zijn.

Met behulp van het Higgsmechanisme zijn deeltjesfysici er in geslaagd de massa’s van de toen nog onontdekte top- en downquark, alsmede de W- en Z-deeltjes te voorspellen. Toen deze deeltjes daadwerkelijk werden ontdekt, bleken de gemeten massa’s overeen te komen met de voorspelde waarden. Dit leverde de ontdekkers en voorspellers verschillende Nobelprijzen op en is op zich een sterk argument voor het bestaan van het Higgsveld.

De theoretische nadelen van het Higgsdeeltje

Het Higgsveld bestaat uit deeltjes met massa (volgens de laatste schattingen heeft een Higgsboson een massa rond de 125 GeV/c2: plm. 133x zo zwaar als eeen proton, dus ongeveer een atoom van een zwaar element als barium), toch is ruimtetijd massaloos. Dit “probleempje” wordt doorgaans opgelost door een wiskunstig handigheidje: renormalisatie, dat er op neerkomt dat oneindigheden tegen elkaar worden weggestreept.
Ook is het Higgsdeeltje een scalair boson met spin nul. Dit betekent dat het geen richting heeft, geen snelheid kan hebben en dat de effecten van het Higgsveld niet afhangen van plaats of snelheid.

Het voornaamte argument tegen het Higgsdeeltje is m.i. dat het Higgsdeeltje in feite niet nodig is. Massa is iets dat ook opgewekt kan worden door interacties met virtuele deeltjes. In feite kunnen ook fotonen een virtuele massa krijgen door ze door een transparant materiaal te sturen. Niettemin: experimenten zullen het laatste woord hebben.

Nawoord Higgsdeeltje

Ik bleek hier ongelijk te hebben. Inderdaad is nu het Higgsdeeltje volgens strenge natuurkundige normen (kans kleiner dan één op de miljoen dat deze waarnemingen niet kloppen), aangetoond. Natuurkundige theorieën zullen dus rekening met het Higgsdeeltje en het Higgsveld moeten houden.

Meer informatie

Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.

Kans op Higgs nog kleiner geworden

Update: nu het Higgsdeeltje daadwerkelijk is gevonden, althans de aanwijzingen overweldigend sterk zijn, is dit artikel gedateerd. 

Twee onderzoeksgroepen aan de LHC, de enorme deeltjesversneller  op het CERN in de buurt van het Zwitserse Genève kondigden vandaag aan dat ze het gebied waar het Higgsdeeltje zich in kan schuilhouden flink hebben ingeperkt.

Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.
Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.

Wat is het Higgsdeeltje?
Het Higgsdeeltje, door sommige adepten het God-deeltje genoemd, moet verklaren waarom andere deeltjes massa hebben. Volgens hun theorie werken ze als ‘lijm’, omdat andere deeltjes door een zee van Higgsdeeltjes moeten ploegen. Ook is het het enige deeltje wat door het Standaardmodel is voorspeld maar nog steeds niet is gevonden.

De experimenten ATLAS en CMS hebben met 95% zekerheid aangetoond dat het Higgsdeeltje zich niet in het massagebied tussen 145 en 466 GeV/c2 bevindt. De leden van de twee groepen presenteerden hun nieuwe resultaten op de tweejaarse Lepton-Foton conferentie, dit jaar gehouden in Mumbai. In eerdere onderzoeken is al aangetoond dat de massa van het Higgsdeeltje, als het bestaat, zich óf tussen de 114 en 157 GeV/c2, of tussen de 173 en 185 GeV/c2 bevindt. Dat gebied is dus nu drastisch teruggesnoeid, zeg maar: meer dan gehalveerd. Alleen een smal gebied tussen 114 en 145 GeV/c2 blijft nu over.

Higgs-gelovigen bekijken het optimistisch en zeggen dat de massa van het Higgsdeeltje nu steeds nauwkeuriger bepaald kan worden. Persoonlijk zie ik het meer als aanwijzing dat het Higgsdeeltje niet bestaat en dat we op een heel andere manier over ruimtetijd moeten denken dan we tot nu toe deden.  Wat dat betreft zijn er een aantal zeer interessante theorieën, zie bijvoorbeeld hier en hier, die denk ik in de gaten moeten worden gehouden.

Deeltjesmonster van Loch Ness
Net zoals bij het monster van Loch Ness, duiken voortdurend sporen van het Higgsdeeltje op, die de nare eigenschap hebben spoorloos te verdwijnen als de metingen nauwkeuriger worden. De komende twaalf maanden worden beslissend. Bestaat het Higgsdeeltje of niet? Zo nee, dan opent dit de poort voor opwindende nieuwe natuurkunde. Voor wie ‘opwindend’ omgekeerd evenredig vindt aan ‘natuurkunde’: natuurkunde houdt zich bezig met de fundamenten van ons universum en alles wat bestaat. Een natuurkundige doorbraak heeft een ongekend zware impact op zo ongeveer alle gebieden. Denk maar aan de gevolgen van dingen als elektriciteit, kernsplitsing en kwantummechanica. Wie weet krijgen we mogelijkheden waar nog niemand aan durft te denken.

Zie ook onze eerdere artikelen: Is het Higgsdeeltje fake? en Ander deeltje kan zich vermommen als Higgs

Meer informatie:
Lepton Photon Conference