Michael Rottman van The Morning News komt met tien adviezen die bruikbaar zijn in het geval je de unieke ervaring mee mag maken om een Higgsboson per ongeluk in te slikken. Yep, het deeltje dat de halve natuurkundige wereld als de Heilige Graal van het experimentele onderzoek beschouwt en waar miljarden dollars/euro’s voor opzij worden gezet om aanwijzingen voor het bestaan ervan te vinden. Ik ga al die adviezen hier niet herhalen en natuurlijk is het 100% kolder wat Rottman presenteert, maar ze verwijzen toch veelal naar èchte fysica. Zoals advies nr. 7:

Do you feel protons decaying? Grand Unification may be occurring near your vital organs. However, this may be caused by far less elegant X bosons—the poor man’s Higgs, as it were. We shall not deal with these “country cousins” here. Still, you must not use electroweak force in this situation. You must at least attempt to curb the force of your nuclei to delay Grand Unification. You would be wise to begin a preventive training regimen for your nuclei right away—’Fermion My Wayward Son’ (Bloomsbury, 1996) contains the internationally accepted techniques.

Yep, de ‘Grand Unified Theories’, waarin de vier natuurkrachten¹ getracht worden bijeen te brengen tot één natuurkracht, reppen van het idee dat het proton niet het eeuwige leven heeft, maar een verval kent. En dan bedoel ik niet verval door de botsing tegen een ander deeltje, maar verval gewoon spontaan, uit zichzelf. De halveringstijd² van het proton wordt tegenwoordig geschat op 6,6 x 10³³ jaren. Eh… da’s pak ‘m beet ongeveer 6.600.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 jaren! Knappe jongen die dat aan kan voelen. Ik zou zeggen, lees die tien adviezen eens goed door, kijk er met een enorme knipoog naar en ga vervolgens lekker genieten van je Paasweekend. Bron: The Morning News.

1. De electromagnetische, sterke, zwakke en gravitationele wisselwerking. [↩]
2. Dit is de tijd waarna van de oorspronkelijke hoeveelheid van atomen nog precies de helft over is. [↩]

Als ‘t goed gaat dan zal in mei 2008 de Large Hadron Collider (prijskaartje: bijna 4 miljard euro) bij Genève van start gaan¹, de superdeeltjesversneller die met name gericht is op het vinden van het Higgs-deeltje, ook wel het God-deeltje genoemd². Over dat deeltje heb ik het hier al vaak gehad, maar over de man achter de theorie nog nooit: De Engelsman Peter Higgs. Daarom is het denk ik goed eens even stil te staan bij de ‘vader’ van dit inmiddels wereldberoemde elementaire deeltje en te kijken hoe het idee van de Higgs-deeltjes ter wereld is gekomen.

Spontane symmetrieverbreking

Peter Ware Higgs is geboren op 29 mei 1929 in Newcastle upon Tyne. In Bristol kwam hij voor het eerst in aanraking met de natuurkunde, doordat hij geïnspireerd raakte door Paul Dirac, één van de bedenkers van de quantum-mechanica. Dirac was oud-student van die  school, de  Cotham Grammar School. Op z’n 17e kwam Higgs op de City of London School terecht, waar hij zich in wiskunde specialiseerde. In de beginjaren ’60 was hij verbonden aan het King’s College in London, alwaar hij z’n graad had gehaald (over de bewegingsspectra van moleculen). Hij bekleedde vanaf oktober 1960 tot voor kort een leerstoel in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Edinburgh. Thans is hij met emeritaat. In 1961 las Higgs een artikel van Yoichiro Nambu, de Japans-Amerikaanse natuurkundige, die zei dat door het verschijnsel van Spontane Symmetrieverbreking deeltjes massa kunnen krijgen. Vergelijk dat met een knikker die op de bodem van een wijnfles ligt precies op de top van het heuveltje. De knikker is in een symmetrische toestand, maar die toestand is niet stabiel. Hij kan van de heuvel afrollen, elke richting uit. Als dat gebeurt is er sprake van een Spontane Symmetrieverbreking. Nadeel van Nambu’s model was dat het een massaloos boson³ opleverde, een zogenaamd Goldstone boson.

Annus Memorabilis: 1964 

Na een weekendje diep nadenken in de Cairngorms⁴ in juli 1964 kwam Peter Higgs terug in z’n laboratorium en verklaarde aldaar: “Ik heb een groot idee! Het Goldstone boson kan wel degelijk massa krijgen.” Wat daar volgens Higgs voor nodig was was het volgende mechanisme: alles is gevuld met een bepaald veld dat slechts één waarde heeft, een zogenaamd scalarveld. Die waarde kan bijvoorbeeld de energie zijn. Dat veld bevindt zich in die ‘pseudo-stabiele’ toestand, zoals hierboven beschreven. Bij een bepaalde kritische temperatuur ‘rolt’ het veld van de heuvel af en krijgen de elementaire deeltjes massa door interactie met het veld. Hoe meer interactie er is hoe zwaarder het deeltje zal zijn. Fotonen reageren niet met het veld en dus blijven zij massaloos. Protonen, neutronen, electronen en andere deeltjes reageren wel en dat geeft hun massa. Dat alles beschreef Higgs in een kort artikel (79 regels, 5 formules!) in het vakblad Physics Letters (nr. 12 blz. 132) genaamd ‘Broken symmetries, massless particles and gauge fields’⁵. Voor dergelijke artikelen geldt kennelijk: kort maar krachtig. Higgs werkte z’n ideeën verder uit en bood die, alweer in ultrakorte vorm, aan aan de redactie van Physics Letters. Maar dat artikel werd geweigerd, omdat het volgens de redacteuren weinig nieuws bevatte. In die afgewezen versie beschreef Higgs de invloed van het door hem beschreven mechanisme op het electrodynamische veld. In een geupdate versie voegde hij er ook de sterke wisselwerking aan toe en de uitkomst was dat er ook massieve bosonen aan te pas komen om de energie van het scalarveld over te dragen.  Dat aangepaste tweede artikel verscheen 31 augustus 1964 in Physical Review Letters. Na het verschijnen van beide artikelen van Higgs bleven z’n ideeën jaren beperkt tot de stoffige studeerkamers van enkele even zo stoffige geleerden. Higgs was zelfs niet eens overtuigd van z’n eigen gelijk, aldus Heinz Pagels in het boek Perfect Symmetry (Bantam Press 1985, blz. 205).

De electrozwakke wisselwerking 

Aan de obscuriteit van Higgs ideeën kwam abrupt een eind toen in 1967 Steven Weinberg en Abdus Salem het mechanisme gebruikten in hun theorie om de electromagnetische en zwakke wisselwerking onder te brengen in één natuurkracht: de electrozwakke wisselwerking. In 1979 kregen beiden de Nobelprijs voor de natuurkunde voor deze theorie. Sindsdien spreken we van het Higgsveld, het Higgs-deeltje (dat de interactie verzorgd tussen Higgsveld en andere elementaire deeltjes) en het Higgs-mechanisme⁶. Het Higgs-deeltje is in feite het kleinste ‘quantum’ van het Higgsveld, net zoals het foton het kleinste quantum van het electromagnetische veld is. En daar zal vanaf mei 2008 de Large Hadron Collider jacht op gaan maken. Het Higgs-deeltje zelf zal men niet zien, maar wel het verval ervan. Men verwacht namelijk dat het uiteen zal vallen in een zwaar quark-antiquarkpaar, waarschijnlijk een top-quark en anti-topquark. Die zijn echter ook niet stabiel en zij zullen weer uiteenvallen in een aantal bottom-quarks en anti-bottom-quarks. En die gaan tenslotte een aantal zware hadronen vormen, zware deeltjes zoals neutronen en protonen. Zie ‘t plaatje voor een mogelijke uitkomst van zo’n vervalproces. Snappen jullie ‘t nog? Bij een positieve jacht zal het Higgs vast en zeker een Nobelprijs opleveren. Hopelijk hoeft die niet postuum te worden verleend! Bron: diverse bronnen, o.a.Wikipedia.

1. Eergisteren werd het laatste 100 ton wegende onderdeel van de ATLAS op z’n plaats getakeld. ATLAS is dè plek van de LHC waar het allemaal moet gebeuren. [↩]
2. Zo werd het als eerste genoemd door de Amerikaanse nodelprijswinnaar Leon Lederman. [↩]
3. Bosonen zijn in het Standaardmodel de deeltjes die de elementaire krachten overbrengen. Het bekendste boson is het foton, dat de electromagnetische kracht overbrengt. [↩]
4. Een bergrug in het noordoosten van Schotland. [↩]
5. En hier leesbaar via Google.Books. Heerlijke uitvinding! [↩]
6. Nou ja, eigenlijk kwam Gerard ‘t Hooft in 1971 met deze benaming aan, iets later dus. [↩]