19 mei 2021

Wat zou de Higgs nog meer kunnen zijn?

Wat zou de Higgs nog meer kunnen zijn? Credit:  Fermilab/SLAC/Sandbox Studio

Volgens het Standaard Model zou de massa van het Higgs-boson enorm moeten zijn. Recente experimenten hebben echter uitgewezen dat de massa van de Higgs vrij klein is. Dat betekent dat wetenschappers voorbij het Standaard Model moeten denken om het nieuwe deeltje te verklaren.Op 4 juli 2012 werden overal ter wereld de champagnekurken getrokken – wetenschappers konden toasten op het hoogtepunt van een halve eeuw onderzoek. Ze hadden een nieuw deeltje ontdekt, eentje dat griezelig veel overeenkomsten vertoonde met het illustere Higgs-deeltje.Dit deeltje geldt al decennia als het laatste ontbrekende puzzelstuk van het Standaard Model van de deeltjesfysica. Maar zelfs als het nieuwe deeltje het laatste puzzelstuk vormt, valt deze niet exact in de puzzel te passen.”Als dit het Higgs-deeltje uit het Standaard Model is, dan is het plaatje compleet – toch zal iedereen met een nare nasmaak blijven zitten”, aldus Eilam Gross, mede-uitvinder van het ATLAS-instrument aan boord van de LHC. “Er blijven vragen onbeantwoord, vragen die alleen opgelost kunnen worden door voorbij het Standaard Model denken”.Volgens de theorie verkrijgen deeltjes hun massa door te “waden” door een soort krachtveld. Je kunt het vergelijken met zand: probeer je een hand vol zand voor te stellen. Knijp je hand samen en pas enige druk toe. Open je handen. Als het zand droog is, zal het zonder problemen uit je hand glijden. Als het zand echter nat is, zal het de vorm vasthouden waarin je het gedrukt hebt. Iets soortgelijks gebeurt bij elementaire deeltjes. Net zoals zand een andere vorm aanneemt naar gelang je het vochtiger maakt, krijgen deeltjes meer massa naar gelang hun interactie met het Higgsveld. Het omgekeerde gebeurt ook: het Higgsdeeltje krijgt zelf meer massa door interacties met andere deeltjes, inclusief zichzelf.Interacties met de ene groep deeltjes zorgt ervoor dat de Higgs enorm in massa toeneemt, terwijl interacties met een andere (kleinere) groep deeltjes de massa van de Higgs juist doet afnemen. Zodra de wiskunde voltooid is, blijkt de balans door te slaan in de richting van meer massa. Sterker nog, de massa zal astronomisch hoog worden. De massa van de kandidaat-Higgs die door natuurkundigen gevonden is, bedraagt echter 125 giga-elektronvolts – dat is verrassend klein.Als het nieuwe deeltje inderdaad een Higgs is, moeten we voorbij het Standaard Model denken om de verwarrende massa te verklaren. Er zijn drie populaire verklaringen verzonnen: supersymmetrie, deelbaarheid en extra dimensies.

De supersymmetrische Higgs: meer nieuwe deeltjes.

Credit:  Fermilab/SLAC/Sandbox Studio

Eén manier om de wiskundige berekening van de Higgs-massa te manipuleren, is door nieuwe variabelen toe te voegen aan de vergelijking. De theorie van supersymmetrie stelt dat ieder elementair deeltje een partnerdeeltje heeft. Het is een bijkomend voordeel dat ieder van deze partners een tegenovergesteld effect heeft op de massa van de Higgs. Het ene deeltje voegt massa toe; het andere haalt massa weg. Helaas cijferen ze elkaar niet helemaal weg.De partnerdeeltjes uit supersymmetrie zijn echter superpartners – dat zijn deeltjes die lijken op de deeltjes uit het Standaard Model, maar die wel meer massa hebben. Als je superpartners toevoegt aan de mix, cijferen ze elkaar vrijwel helemaal weg. “Dat is één van de redenen waarom iedereen zo gek is op supersymmetrie”, zegt natuurkundige Don Lincoln, die deel uitmaakt van het CMS-experiment van de LHC.Een andere reden is het volgende: als het nieuwe boson een supersymmetrische Higgs is, weten ze dat een geheel nieuwe collectie elementaire deeltjes op ontdekking ligt te wachten. Eén van deze superpartners, een massief deeltje dat het neutralino wordt genoemd, zou zelfs het hoofdbestanddeel van donkere materie kunnen vormen, de mysterieuze substantie dat 75% van alle massa in het heelal schijnt uit te maken.

De deelbare Higgs: nog kleinere deeltjes

Credit:  Fermilab/SLAC/Sandbox Studio

Sommige theoretici hebben een andere oplossing verzonnen voor de onverwachte massa van de Higgs. Zij verkennen het idee van een deelbaar Higgsdeeltje – een deeltje dat zich gedraagt zoals het Standaard Model-Higgs, maar eigenlijk is opgebouwd uit nog kleinere deeltjes.Het berekenen van de massa van een deelbare Higgs verschilt van het berekenen van de massa van een fundamentele, ondeelbare Higgs. Als de Higgs is opgebouwd uit kleinere deeltjes, dan bestaat de massa van de Higgs uit de massa van deze deeltjes, plus de energie van de kracht die de deeltjes bij elkaar houdt. Als je dat bij elkaar optelt, kom je uit op 125 giga-elektronvolts.Een deelbare Higgs zou de natuurkundige wereld op z’n kop zetten. Als de Higgs bestaat uit kleinere deeltjes, dan geldt dat ook voor andere deeltjes die we momenteel als fundamenteel (=ondeelbaar) zien. Deelbaarheid zou het bestaan inluiden van een geheel nieuwe laag van deeltjesfysica, waaruit compleet nieuwe theorieën voortgebracht zullen worden.

De multi-dimensionale Higgs: nieuwe werelden

Credit:  Fermilab/SLAC/Sandbox Studio

Een derde verklaring voor de schijnbare “lichtheid” van de Higgs is dat we simpelweg niet de hele Higgs zien: een groot deel bevindt zich in andere dimensies.”Als je een berekening doet in drie dimensies, krijg je een ander resultaat dan als je dezelfde berekening uitvoert in vijf dimensies”, aldus Fermilab-natuurkundige Joe Lykken. “De effecten waarvan je denkt dat ze groot zijn in drie dimensies, blijken minder groot te zijn in meer dimensies”.Wetenschappers proberen de relatieve zwakte van de zwaartekracht op een soortgelijke manier te verklaren. Hoewel zwaartekracht ons met beide benen op de grond houdt, is het een relatief zwakke kracht in vergelijking met de andere fundamentele natuurkrachten in het universum. Als de zwaartekracht even sterk zou zijn als de andere natuurkrachten, zou zelfs een koffiekopje veel te zwaar zijn om op te tillen.Het is echter mogelijk dat zwaartekracht (als enige fundamentele kracht) in meer dimensies werkt dan de bekende drie. Het lijkt alleen zwak omdat een deel van zijn kracht gelegen is in voor ons onzichtbare dimensies.Op vergelijkbare wijze zullen de berekeningen die een enorme Higgs-massa voorspellen, getemperd worden door de effecten van dimensies voorbij de onze. Het ontdekken van extra dimensies zou wetenschappers kunnen helpen om de zwaartekracht (en diens relatie tot de andere natuurkrachten) te verklaren. Het zou ook koren op de molen zijn voor snarentheoristen, die minstens 11 ruimtelijke dimensies voorspellen.

De opwinding groeit

Zelfs als het nieuwe deeltje het Standaard Model-Higgs is, “zitten we nog steeds met vragen”, zegt CERN-theorist Christophe Grojean. “Het toevoegen van één extra fundamenteel deeltje brengt ons niet bij het fundamentele antwoord”. Dat komt doordat het Standaard Model geen Theorie van Alles is. Als het Standaard Model-Higgs bevestigd zou worden, zou het Standaard Model compleet zijn – maar niet allesomvattend. Wetenschappers moeten dan nog altijd een aantal raadsels oplossen, waaronder donkere energie, donkere materie en de zwakte van de zwaartekracht.Het vaststellen dat het nieuwe deeltje geen Standaard Model-Higgs is – of het vaststellen dat het helemaal geen Higgs is – zal de wetenschap een routekaart geven waar nu te zoeken. Als het inderdaad om het Standaard Model-Higgs gaat, heeft de wetenschap geen idee waar de volgende zoektocht moet plaatsvinden.Het verhaal van het nieuwe, Higgs-achtige deeltje is verre van afgelopen – een feit waardoor de opwinding bij het LHC tastbaar blijft. Natuurkundigen branden van nieuwsgierigheid om te zien waar de gegevens nu weer toe leiden.Bron: Symmetry Magazine.

Comments

  1. Olaf, een geweldig informatief artikel, mag ik wel stellen. Als de ‘rating plugin’ in een volgende versie wat stabieler is ga ik ‘m weer activeren en krijg je van mij de volle vijf sterren. 🙂 Wat de kleine massa van het Higgs boson betreft: dat is niet het enige vreemde van het deeltje, er zijn meer vragen die het oproept, zoals het feit dat het verval van het Higgs deeltje in paren fotonen – zoals gemeten met de CMS en ATLAS-detectoren van de Large Hadron Collider – vaker gebeurde dan het Standaard Model voorschrijft. Wellicht dat de drie suggesties die jij noemt hier antwoord op kunnen geven. Op 15 november a.s. start in het Japanse Kyoto het Hadron Collider Physics Symposium (http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/hcp2012/) en dan hoopt men op basis van de allernieuwste data van CMS en ATLAS meer info te geven over de status van het Higgs boson.

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: