Het Higgsboson: het deeltje dat verklaart waarom alles massa heeft
Het Higgsboson is een subatomair deeltje dat in 2012 werd ontdekt bij het onderzoekscentrum CERN in Genève, en dat een cruciale rol speelt in de verklaring waarom andere deeltjes massa hebben. Zonder dit mechanisme zouden elektronen, quarks en andere bouwstenen van materie massaloos door het heelal razen, net als lichtdeeltjes (fotonen), en zou er nooit iets stevigs zoals een atoom, een steen of een mens hebben kunnen ontstaan.
Een populaire manier om dit voor te stellen: denk aan een beroemdheid die een drukke ruimte binnenloopt. Om de beroemdheid heen vormt zich meteen een kluitje mensen dat meeloopt en het lastiger maakt om snel vooruit te komen. Een onbekend persoon loopt ongehinderd door dezelfde ruimte. Het 'Higgsveld' werkt vergelijkbaar: het vult het hele heelal, en deeltjes die er sterk mee wisselwerken worden als het ware afgeremd, wat zich voordoet als massa. Deeltjes die niet met het veld reageren, zoals het foton, blijven massaloos. Het Higgsboson is een kortstondige rimpeling in dat veld, vergelijkbaar met hoe een golf op het wateroppervlak laat zien dat er water is.
Wat is het precies?
De basis van het idee werd in 1964 onafhankelijk van elkaar voorgesteld door meerdere natuurkundigen, onder wie Peter Higgs en François Englert. Hun theorie, later het Brout-Englert-Higgs-mechanisme genoemd, loste een lastig probleem op in het Standaardmodel: de theorie die alle bekende elementaire deeltjes en hun krachten beschrijft. Volgens de wiskundige symmetrieën van dat model zouden bepaalde krachtdeeltjes, zoals de W- en Z-bosonen die de zwakke kernkracht overbrengen, eigenlijk massaloos moeten zijn. Uit experimenten bleek echter dat ze wél massa hebben.
De oplossing was een onzichtbaar veld dat overal in de ruimte aanwezig is: het Higgsveld. Deeltjes die ermee wisselwerken, krijgen daardoor effectief massa; hoe sterker de wisselwerking, hoe zwaarder het deeltje. Het Higgsboson is de kleinst mogelijke 'golf' of aanslag in dit veld, en het aantonen van dat deeltje was het overtuigendste bewijs dat het veld echt bestaat.
Om zo'n Higgsboson te maken, laat de Large Hadron Collider (LHC) van CERN twee protonenbundels met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen. Bij voldoende energie kan zo'n botsing, heel af en toe, een Higgsboson opleveren. Het deeltje bestaat vervolgens slechts ongeveer 10-22 seconde, een onvoorstelbaar kleine fractie van een seconde, voordat het uiteenvalt in lichtere deeltjes, zoals paren van fotonen of van zogeheten Z-bosonen. Detectoren zo groot als een gebouw, met de namen ATLAS en CMS, registreren de sporen en energie van die vervalproducten. Omdat het Higgsboson zelf nooit rechtstreeks wordt 'gezien', reconstrueren natuurkundigen het bestaan ervan statistisch uit miljarden botsingen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer was het compleet maken en toetsen van het Standaardmodel. Dit model beschrijft met opmerkelijke precisie hoe elementaire deeltjes en krachten werken, maar was tot 2012 onvolledig zonder experimenteel bewijs voor het massamechanisme. De ontdekking van het Higgsboson bevestigde dat de theoretische puzzelstukken klopten.
Daarnaast willen onderzoekers de oorsprong van massa fundamenteel begrijpen: waarom hebben deeltjes precies de massa die ze hebben, en niet een andere waarde? Ook hopen fysici dat nauwkeurige metingen aan het Higgsboson kleine afwijkingen van de voorspellingen aan het licht brengen. Zulke afwijkingen zouden kunnen wijzen op verschijnselen die het Standaardmodel niet verklaart, zoals donkere materie (de onzichtbare massa die sterrenstelsels bijeenhoudt) of supersymmetrie (een theorie die voor elk bekend deeltje een zwaardere partner voorspelt). Tot nu toe is zo'n afwijking niet gevonden, maar het zoeken gaat door via steeds preciezere metingen van hoe het Higgsboson ontstaat, vervalt en met andere deeltjes koppelt.
Voorbeelden uit de praktijk
Op 4 juli 2012 maakten de ATLAS- en CMS-samenwerkingen bij CERN gelijktijdig bekend een nieuw deeltje te hebben waargenomen dat overeenkwam met het lang gezochte Higgsboson. Het nieuws haalde wereldwijd het nieuws en gold als een van de belangrijkste natuurkundige ontdekkingen van de eeuw.
In 2013 ontvingen Peter Higgs en François Englert de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun theoretische voorspelling uit 1964, nu bevestigd door het experiment.
In 2018 slaagden ATLAS en CMS erin het verval van het Higgsboson naar een paar bottom-quarks (H→bb̄) waar te nemen, een van de meest voorkomende maar experimenteel lastigste vervalkanalen om te meten vanwege de grote hoeveelheid achtergrondruis van andere processen.
Datzelfde jaar, 2018, werd ook de zogeheten ttH-productie waargenomen: een proces waarbij een Higgsboson samen met een paar topquarks ontstaat. Dit bevestigde rechtstreeks dat het Higgsboson koppelt aan het topquark, het zwaarste bekende elementaire deeltje.
Momenteel loopt de voorbereiding van de High-Luminosity LHC (HL-LHC), een grootschalige upgrade van de botsingsmachine die vanaf naar verwachting 2029-2030 een veel hoger aantal botsingen per seconde moet opleveren, waardoor zeldzamere Higgs-processen binnen bereik komen.
Hoe ver is de techniek?
De massa van het Higgsboson is inmiddels vrij nauwkeurig bepaald: ongeveer 125,25 GeV/c² (gigaelectronvolt gedeeld door de lichtsnelheid in het kwadraat, de eenheid die natuurkundigen gebruiken voor deeltjesmassa), gebaseerd op gecombineerde metingen van ATLAS en CMS tijdens de zogeheten Run 2-periode van de LHC. Ook de manier waarop het deeltje ontstaat en vervalt komt tot dusver overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel, binnen de nauwkeurigheid van de huidige metingen.
Een belangrijk stuk van de puzzel ontbreekt echter nog: de zelfkoppeling van het Higgsboson, ofwel hoe sterk het deeltje met zichzelf wisselwerkt. Deze eigenschap bepaalt onder meer de vorm van het Higgsveld en is relevant voor vragen over de stabiliteit van het heelal op de lange termijn. Om dit te meten zijn veel meer botsingen nodig dan de LHC tot nu toe heeft geleverd, wat een van de belangrijkste redenen is voor de HL-LHC-upgrade.
Op langere termijn onderzoekt CERN de haalbaarheid van een opvolger, de Future Circular Collider (FCC), een nieuwe, veel grotere botsingsmachine die met hogere energie en precisie zou kunnen meten. Dit project bevindt zich vooralsnog in de studie- en ontwerpfase; er is geen bouwbesluit genomen en realisatie zou, als het doorgaat, op zijn vroegst pas over enkele decennia plaatsvinden. Eerlijkheidshalve moet ook gezegd worden dat de LHC tot dusver geen enkel overtuigend signaal van fysica voorbij het Standaardmodel heeft gevonden, wat sommige natuurkundigen als teleurstellend ervaren en anderen juist zien als een aansporing om met nog gevoeliger experimenten te blijven zoeken.
Wie werken eraan?
De ontdekking en verdere studie van het Higgsboson vinden vrijwel volledig plaats rond CERN, de Europese Organisatie voor Kernonderzoek nabij Genève, op de grens van Zwitserland en Frankrijk. Daar bevindt zich de LHC, momenteel de krachtigste deeltjesversneller ter wereld.
De metingen worden uitgevoerd door de internationale samenwerkingsverbanden ATLAS en CMS, elk bestaand uit duizenden natuurkundigen, ingenieurs en studenten uit tientallen landen, die onafhankelijk van elkaar dezelfde botsingen analyseren om resultaten te kunnen kruisverifiëren.
Daarnaast dragen grote onderzoeksinstituten wereldwijd bij aan detectorbouw, dataverwerking en analyse, waaronder Fermilab in de Verenigde Staten, DESY in Duitsland en KEK in Japan. Vanuit Nederland levert Nikhef (het Nationaal instituut voor subatomaire fysica) al decennialang een bijdrage aan de ATLAS-detector en de bijbehorende dataverwerking.