De vader van het God-deeltje

Credit: Gert-Martin Greuel – Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

Als ‘t goed gaat dan zal in mei 2008 de Large Hadron Collider (prijskaartje: bijna 4 miljard euro) bij Genéve van start gaan [1]Eergisteren werd het laatste 100 ton wegende onderdeel van de ATLAS op z’n plaats getakeld. ATLAS is dé plek van de LHC waar het allemaal moet gebeuren., de superdeeltjesversneller die met name gericht is op het vinden van het Higgs-deeltje, ook wel het God-deeltje genoemd [2]Zo werd het als eerste genoemd door de Amerikaanse nodelprijswinnaar Leon Lederman.. 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

Credit: CERN


eter 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 boson [3]Bosonen zijn in het Standaardmodel de deeltjes die de elementaire krachten overbrengen. Het bekendste boson is het foton, dat de electromagnetische kracht overbrengt. opleverde, een zogenaamd Goldstone boson.

Annus Memorabilis: 1964

Credit: CERN

Na een weekendje diep nadenken in de Cairngorms [4]Een bergrug in het noordoosten van Schotland. 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]En hier leesbaar via Google.Books. Heerlijke uitvinding!. 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

Credit: CERN

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-mechanisme [6]Nou ja, eigenlijk kwam Gerard ‘t Hooft in 1971 met deze benaming aan, iets later dus.. 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.

References[+]

References
1 Eergisteren werd het laatste 100 ton wegende onderdeel van de ATLAS op z’n plaats getakeld. ATLAS is dé 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.

Marsgeulen niet veroorzaakt door water?

Credit: John Peletier et al / UA

Het leek zo mooi te zijn: de Global Mars Surveyor (GMS) had in 2006 sterke aanwijzingen gevonden voor de aanwezigheid van vloeibaar water op Mars. Een foto van een krater in het Centaurus Monti gebied op Mars lieten zien dat er de afgelopen zeven jaar vloeibaar materiaal in geulen heeft gestroomd. Maar helaas, helaas. Nieuwe computerberekeningen die het ontstaan van de waargenomen geulen simuleren laten zien dat er vermoedelijk geen water heeft gestroomd, maar droge stofdeeltjes die in een ‘lawine’ naar beneden kwamen. Zeg maar een soort van aardverschuiving, eh… maar dan op Mars. Op basis van topologische gegevens afkomstig van het HiRISE instrument aan boord van NASA’s Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) keken Professor Jon D. Pelletier (Universiteit van Arizona) en z’n collega’s naar het stromen van water én droge deeltjes op Mars. De data werden in een soort van digitaal hoogtemodel gestopt. De uitkomst daarvan was verrassend: de ‘droge’ geulen kwamen meer overeen met de waargenomen geulen in Centaurus Monti dan de ‘natte’ geulen. Met name de uiteinden van de geulen, de zogenaamde ‘vingers’, waren verschillend. Toch sluiten de computerberekeningen niet uit dat er sprake is van modderstromen, die de geulen hebben veroorzaakt. Zeg maar tussen nat en droog in. Aha, wat is één van de belangrijkste bestanddelen van modder? Juist, water. 🙂 Bron: Universiteit van Arizona.