Kunnen we al iets zeggen over de spin van het Higgs boson?

Bijna twee weken geleden werd door CERN de ontdekking bekendgemaakt van een nieuw deeltje met een massa van ongeveer 126 GeV, dat heel veel weg heeft van het Higgs boson. Direct daarna werd er door natuurkundigen al druk gespeculeerd over het waargenomen deeltje en over de eigenschappen ervan. Massa is natuurlijk één van de belangrijkste eigenschappen en het feit dat het Higgs boson zelf ook massa heeft laat zien dat het Higgs mechanisme, waardoor elementaire deeltjes als quarks en leptonen massa krijgen, ook op Higgs bosonen zelf van toepassing is. Een andere eigenschap waar druk over gespeculeerd wordt is de spin van het Higgs boson. De spin wordt wel voorgesteld als het roteren van het deeltje om z’n as, maar dat is onjuist. Het is een intrinsieke kwantummechanische eigenschap, die wordt voorgesteld door een heeltallig of halftallig kwantumgetal – heeltallig (0, 1, 2) bij bosonen, halftallig (½, 3/2, 5/2) bij fermionen. Willen we iets te weten komen over de spin van het Higgs boson dan zijn er twee methodes: de moeilijke en de makkelijke manier. Bij de moeilijke kijk je naar de deeltjes waarin het Higgs boson vervalt en de hoeken die ze precies maken, een zeer lastig klusje. Bij de makkelijke kijk je naar welke deeltjes precies ontstaan als het Higgs boson vervalt, want de spin van die deeltjes zegt iets over hun ‘oorsprong’. Met die laatste methode kunnen we nu al iets zeggen over de spin van het Higgs boson. Er zijn vier ‘vervalkanalen’ van belang voor dit verhaal:

• het Higgs boson dat in twee fotonen uiteenvalt (H → γγ)
• het Higgs boson dat in twee Z bosonen uiteenvalt (H → ZZ*)
• het Higgs boson dat in twee τ leptonen uiteenvalt (H → ττ)
• het Higgs boson dat in twee b quarks uiteenvalt (H → bb)

Behalve de ‘totale spin’ van een elementair deeltje kan ook onderscheid gemaakt worden in een ‘op’ en een ‘neer’ staat. Een foton, drager van de electromagnetische kracht, heeft bijvoorbeeld spin s = 1, maar hij kent twee staten, +1 en -1. Een Z boson, drager van de zwakke wisselwerking, heeft  s = 1, maar hij kent drie staten, +1, 0 en -1. Het τ lepton en de b quark zijn fermionen en ze hebben s=½ met twee staten, +½ en -½. OK, klinkt allemaal best ingewikkeld, maar nu komt het: om er achter te komen of het Higgs boson spin 0, 1 of 2 heeft moeten we kijken naar de spin en de mogelijke staten van de vervaldeeltjes. Wat blijkt:

• alle vervaldeeltjes in genoemde vier vervalkanalen kunnen een Higgs boson met s = 0 opleveren. Zo’n Higgs boson kan bijvoorbeeld in twee fotonen vervallen, de ene met +1 en de ander met -1. Of in twee τ leptonen, de ene met +½ en de ander met -½.
• Bij Higgs bosonen met s = 1 is er een probleem: dat kan nooit in twee fotonen vervallen, die ieder s = 1 hebben.
• Bij Higgs bosonen met s = 2 treedt ook een probleem op: verval in twee τ leptonen gaat niet, want die hebben s = ½. Verval in b quarks zou wel kunnen. Die hebben ook s = ½, maar als er ook een gluon bij ontstaat – dat is de drager van de sterke wisselwerking met s = 1 – dan kan het wel.

Samenvattend is dat in de volgende tabel te zien:

Met de ATLAS- en CMS-detectoren van de Large Hadron Collider (LHC) hebben ze met voldoende betrouwbaarheid (5σ) het Higgs boson in γγ en ZZ zien vervallen. Voor het verval in de andere kanalen – dus ττ en bb – is nog onvoldoende data, dus daarom kan op dit moment nog niet worden gezegd of het Higgs boson wel of geen spin 2 heeft. Maar als einde van dit jaar die data er wel is en áls vervolgens blijkt dat het Higgs boson ook in twee τ leptonen kan vervallen, dan weten we één ding zeker: het heeft spin 0. Wordt vervolgd! Bron: Aidan Randle-Conde op Quantum Diaries.