‘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 Λ, maar dan met een positieve waarde. Het verschijnsel dat we aanduiden met donkere energie is verantwoordelijk voor Λ. 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.
‘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
