25 september 2018

Productie en verval van SM Higgs bosonen

In de aanloop naar de presentatie komende dinsdag van de resultaten die men tot nu toe bereikt heeft in de jacht op het Higgs deeltje – ook wel het Higgs boson of ‘God deeltje’ genoemd – is het goed om even wat achtergrondinformatie te geven over die speurtocht. De theoretisch natuurkundige Matt Strassler heeft daar een tweetal zeer boeiende artikelen over geschreven en die gebruik ik als basis voor deze blog. Er volgt een derde artikel van zijn hand dit weekend, dus als ik die tijdig meekrijg zal ik ook daar melding van maken. Het gaat om de speurtocht naar het Higgs boson, welke ze afgelopen jaar bij de 27 km grote deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) van CERN bij Genève hebben ondernomen. Aan de LHC zijn vier detectoren verbonden en twee ervan houden de botsingen tussen protonen in de gaten, de ATLAS- en CMS-detector. Op 13 december a.s. worden de resultaten bekendgemaakt na 350 biljoen van die botsingen. Belangrijk hierbij is te beseffen dat er van Higgs bosonen – in 1964 als eerste voorgesteld door de Britse natuurkundige Peter Higgs – grofweg twee modellen kunnen worden onderscheiden: Higgs bosonen volgens het Standaard Model en Higgs bosonen NIET volgens het Standaard Model. Daarbinnen zijn weer vele varianten, maar we concentreren ons in dit verhaal even op de lichte SM Higgs bosonen, d.w.z. de Higgs deeltjes die in overeenstemming zijn met het Standaard Model (SM) en die lichter zijn dan 140 GeV. Dat laatste is een maat voor de massa/energie, waarvan we sinds Einstein weten dat die beiden equivalent zijn (E=mc²). Een proton is ongeveer één Giga-electronvolt. SM Higgs bosonen kunnen op verschillende manieren bij de protonenbotsingen ontstaan en vrijwel direct erna vervallen – binnen 10-²² seconde – hetgeen ook weer op verschillende manieren kan gebeuren.

Productie van Higgs bosonen

In de figuur hieronder zie je de vijf mogelijke manieren waarop Higgs bosonen in de LHC kunnen worden geproduceerd en de mate waarin dat gebeurt. Op de x-as staat de theoretische massa van het Higgs boson, op de y-as een indicatie van de hoeveelheid geproduceerde Higgs bosonen. De waarde op de y-as moest in juni 2011 met 1000 worden vermenigvuldigd om de echte hoeveelheid Higgs bosonen te krijgen, op dit moment kan je ‘t met 5000 vermenigvuldigen en volgend jaar kan je het nog eens verdubbelen of zelfs verdrievoudigen – allemaal afhankelijk van de hoeveelheid gemeten botsingen.

Je ziet vijf manieren waarop een Higgs boson kan ontstaan:

  • pp > H (twee protonen leveren een Higgs boson op)
  • pp > qqH (twee protonen leveren een Higgs boson en twee quarks op, meestal op- of neer-quark)
  • pp > WH (twee protonen leveren een Higgs boson en een W-boson op)
  • pp > ZH (twee protonen leveren een Higgs boson en een Z-boson op)
  • pp > ttH (twee protonen leveren een Higgs boson en twee top-quarks op)
De dikte van de lijn in de grafiek geeft de mate van onzekerheid aan in de metingen. Ieder proton heeft een energie van 3,5 TeV (Tera-electronvolt), dus de botsingsenergie is 7 TeV. OK, als je de grafiek kijkt zou je denken dat je vooral die bovenste, blauwgekleurde lijn in de gaten moet houden, want die levert de meeste geproduceerde Higgs bosonen op. Maar dat is bedrieglijk, want die Higgs bosonen verdrinken letterlijk in een zee van vele andere deeltjes. Het signaal van Higgs bosonen komt niet uit boven de ruis die door die andere geproduceerde deeltjes wordt veroorzaakt. Om het nog een tikkeltje ingewikkelder te maken: bij alle vijf manieren die je hierboven vermeld ziet komt tussen de botsing van de protonen en de productie van het Higgs boson nog een fase voor, namelijk die waarbij eventjes ‘virtuele deeltjes’ ontstaan, in de figuur hieronder ‘disturbances’ genoemd. Protonen zelf zijn weer opgebouwd uit quarks en die worden bijeengehouden door de dragers van de sterke wisselwerking, de gluonen. Soms zijn bij de botsingen de quarks betrokken en soms de gluonen, zoals je kunt zien in deze figuur:

In deze figuur zijn de pp > WH en pp > ZH gecombineerd. De details van de vijf productieprocessen en de verschillende fasen daarin zal ik jullie besparen, maar belangrijk is dat zoals gezegd het Higgs boson vrijwel direct na z’n ontstaan weer vervalt. Bij de LHC proberen ze dus de combinatie van de mate waarin het Higgs boson wordt geproduceerd gecombineerd met de waarschijnlijkheid waarop het op een bepaalde manier vervalt te meten. Da’s waar het allemaal om draait.

Verval van Higgs bosonen

De Higgs bosonen zijn de dragers van het Higgs veld, welke zich overal in het heelal in gelijke mate bevindt. Alle elementaire deeltjes bewegen zich door dat Higgs veld en reageren er in meer of mindere mate op, hetgeen hen al of niet massa oplevert. Fotonen en gluonen reageren er niet op en die krijgen dan ook geen massa, de andere deeltjes reageren er wel op, alsof ze door stroop bewegen, en het Higgs boson geeft hen een hoeveelheid massa, die afhankelijk is van de mate waarop ze op die stroperigheid reageren. Net als met de productie van Higgs bosonen zijn er verschillende manieren waarop het deeltje kan vervallen, hetgeen je in de volgende grafiek ziet:

Het gaat met name om die witte verticale strook, want alles in het blauwe gedeelte aan weerszijden van de grafiek is door allerlei experimenten uitgesloten. Daar kan het Higgs boson zich qua massa dus niet bevinden. De mate waarin een Higgs boson van ongeveer 125 GeV kan vervallen verschilt per manier:

  • 60% vervalt in een bottom (b) quark/antiquark paar
  • 21% vervalt in een W boson
  • 9% vervalt in twee gluonen (g)
  • 5% vervalt in een tau lepton/antilepton paar
  • 2,5% vervalt in een charm (c) quark/antiquark paar
  • 2,5% vervalt in een Z boson
  • 0,2% vervalt in twee fotonen
  • 0,15% vervalt in een foton en Z boson
Studie van al deze manieren van verval laat zien in welke mate het Higgs veld én -boson reageren met het deeltje waarin het Higgs boson vervalt. De geruchten die afgelopen week de ronde doen over het waargenomen signaal van een Higgs boson bij 125 GeV concentreren zich op die 0,2% van de Higgs bosonen die vervallen in twee fotonen, het γγ of difoton-kanaal. In een volgende blog zal ik proberen uit te leggen waarom juist dit kleine beetje zo belangrijk is. Bron: Of particular significance.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.