Je leest:

Higgsdeeltje geeft weer een stukje van zijn karakter prijs

Higgsdeeltje geeft weer een stukje van zijn karakter prijs

Geen sporen van ‘nieuwe natuurkunde’

Auteur: | 31 augustus 2018

Het Higgsdeeltje geeft alle andere elementaire deeltjes hun massa, ook de zogenoemde bottomquark. Higgs vervalt namelijk naar deze bottomquarks, zo bevestigden onderzoekers van deeltjeslaboratorium CERN deze week. Opnieuw een zegen voor het standaardmodel, maar wanneer zien we nu eindelijk weer ‘nieuwe natuurkunde’?

Een prachtig resultaat, maar niet écht verrassend. Zo omschrijven natuurkundigen het kersverse resultaat uit het Europese deeltjeslaboratorium CERN. Het Higgsdeeltje – dat alle andere elementaire deeltjes hun massa geeft – vervalt naar twee bottomquarks. Dat is een relatief zware quark, een soort deeltje dat belangrijk is voor de opbouw van normale materie. Deze week maakten wetenschappers de ontdekking van de gigantische deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) bekend.

Het resultaat wordt toegevoegd aan een rijtje eigenschappen van het Higgsdeeltje dat de afgelopen jaren uit ontelbare botsingen onder het Franse en Zwitserse Alpenmassief is gedestilleerd. We kennen de massa van Higgs (125 GeV) en we weten dat het vervalt naar lichtdeeltjes en een paar W- of Z-bosonen of een paar tau-deeltjes. Mooi, maar het jeukt toch een beetje bij de onderzoekers en natuurkundeliefhebbers die hopen dat het deeltje dat centraal staat in het standaardmodel van de deeltjesfysica nu eindelijk iets doet wat de theorie van onder andere Peter Higgs níet voorspelt.

Hbb event 20aug 2 2
Weergave van het verval van Higgsdeeltje in twee bottomquarks in de ATLAS-detector. Tegelijkertijd is er een zogenoemd W-boson gecreëerd dat vervalt in een muon en neutrino.

Hoe onderzoek je het Higgsdeeltje?

Het Higgsdeeltje werd in 2012 officieel ontdekt. Maar hoe onderzoek je een deeltje dat maar een fractie van een seconde bestaat, in een deeltjesversneller die alleen maar protonen versnelt en laat botsen? Higgsdeeltjes ontstaan in de 27 kilometer lange Large Hadron Collider wanneer twee van die protonen met vrijwel de lichtsnelheid op elkaar klappen. Uit zo’n botsing ontspringen allerlei elementaire deeltjes, die razendsnel weer vervallen naar ándere deeltjes. Het is overigens niet zo dat deze deeltjes letterlijk de ‘brokstukken’ van die eerdere deeltjes zijn. De ontstane deeltjes ontlenen enkel hun energie uit de energie die bij de botsing vrijkomt.

Door goed te kijken naar eigenschappen van de deeltjes die uit de botsing wegschieten, bijvoorbeeld de hoeken en energieën, kan zo’n deeltjesregen gereconstrueerd worden. In dit geval (zie afbeelding) genereert de protonbotsing een zogenoemd W-boson en een Higgsdeeltje. Het W-boson vervalt vervolgens in een (detecteerbaar) muon en neutrino, het Higgsdeeltje vervalt in twee bottomquarks.

Weg met de ‘rommel’

Ondanks dat een Higgsdeeltje volgens de theorie in zo’n zestig procent procent van de gevallen naar twee bottomquarks vervalt is dit relatief lastig te onderzoeken. “Er zijn veel andere deeltjes die óók uiteenvallen in twee bottomquarks. Als je naar bottomquarks speurt dan ben je tegelijkertijd naar een scala aan andere interacties aan het kijken” zegt Ivo van Vulpen, deeltjesfysicus van onderzoeksinstituut Nikhef en de Universiteit van Amsterdam die niet bij dit onderzoek betrokken was.

3030137793 859e0e267a o
Peter Higgs, een van de voorspellers van het Higgsdeeltje bij een detector van de Large Hadron Collider van CERN.

Toch zijn de bottomquarks die ontstaan uit een Higgsdeeltje te ‘scheiden’ van de overige bottomquarks. De truc is kijken naar een speciaal productiemechanisme: wanneer er uit de protonbotsing zowél een Higgsdeeltje als een zogenoemd Z-boson ontstaat. Naast de bottomquarks uit het Higgsdeeltje, meet de detector dan ook een elektron en een positron afkomstig uit het verval van het Z-boson. “Dat werkt prachtig. Het nadeel is dat deze manier van Higgsdeeltjes maken zo’n tien keer minder voorkomt dan de ‘gebruikelijke’ route. Je moet dus langer meten voordat je dit uit de data kunt halen”, zegt Van Vulpen.

Hoeveel botsingen er nodig waren voor de resultaten van dit onderzoek? “Ontzettend veel”, zegt Van Vulpen. “Ga maar na, elke seconde vinden er zo’n miljard proton-proton-botsingen plaats. Dit werk is gebaseerd op jaren van dataverzameling. Voor dit onderzoek hadden de onderzoekers al acht keer meer data tot hun beschikking dan dat er ten tijde van de ontdekking van Higgs was. Dit is ook een overwinning voor de dataverwerking, die de aflopen jaren ontzettend is verbeterd. In dit onderzoek waren op dat gebied ook Nederlandse wetenschappers van het Nikhef betrokken.”

Nieuwe deeltjes

Een mooi resultaat, maar stiekem hoopte Van Vulpen op iets anders. “Het Higgsdeeltje doet werkelijk in álle opzichten wat zijn voorspellers zeggen dat het zou doen. Het is waanzinnig knap dat ze dit zo lang geleden al voorspelden, maar stiekem hoop je iets anders. Misschien wel iets wat kan wijzen op ‘nieuwe fysica’. Het Higgsdeeltje zou best de poort kunnen zijn naar natuurkunde en deeltjes die we nog niet kennen”, zegt Van Vulpen.

Het is mogelijk dat er elementaire deeltjes zijn die niet of nauwelijks interactie hebben met de deeltjes die we kennen, maar die wél een massa hebben. “Dat betekent automatisch een interactie met Higgs”, zegt Van Vulpen. “Zien we bijvoorbeeld dat Higgs minder vaak vervalt naar de bottomquarks dan verwacht, dan betekent dat misschien dat ze af en toe vervallen naar deeltjes die we nog niet kennen.”

Lasser lhc
Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider. De komende jaren ligt de deeltjesversneller voor langere tijd stil voor een upgrade, zoals ook het geval was tussen 2013 en 2015.

De onderzoekers van CERN blijven daarom de vervalproducten van Higgs minutieus uitpluizen. Zo kunnen ze nog het verval naar muonen afvinken, en ook zou het Higgsdeeltje naar zichzelf vervallen. Dat vertelt iets over de eigenschappen van het Higgsveld, het veld dat overal aanwezig is en alle andere deeltjes massa geeft. Ook kan het zijn dat er nog meerdere versies van het Higgsdeeltje zelf zijn.

Ondertussen krijgt de LHC de komende jaren een upgrade. Om de meer zeldzame botsingen uit de databerg te kunnen vissen moet die berg groter worden. In de zogenoemde High Luminosity LHC vinden er per seconde nog meer botsingen plaats dan nu al het geval is. Vanaf volgend jaar ligt de machine voor ongeveer twee jaar stil. Geen probleem volgens Van Vulpen. “Er is nu zóveel data dat het onderzoek gewoon doorgaat.”

Bron

Het wetenschappelijke artikel is nog niet gepubliceerd maar ingeleverd voor publicatie bij het wetenschappelijke tijdschrift Physical Letters B.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 augustus 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.