Credit: EPFL
Sinds de bekendmaking op 4 juli j.l. van een nieuw elementaire deeltje met een massa van ongeveer 126 GeV, dat vrijwel zeker het in 1964 voorspelde Higgs boson is, en de bevestiging ervan onlangs op de hoge energieconferentie in Kyoto proberen theoretisch natuurkundigen antwoord te krijgen op de volgende vraag: Waarom is de massa van het Higgs boson 126 GeV en niet 12.200.000.000.000.000.000 GeV? Anders gezegd: waarom ligt de massa van het Higgs boson bij de electrozwakke schaal en niet bij de Planckschaal? Allemaal termen die wellicht abracadabra zijn, dus laat ik eerst even wat verduidelijken. De massa van elementaire deeltjes kan liggen tussen 0 – massaloos dus, zoals fotonen en de theoretische gravitonen, dragers van de zwaartekracht – en de Planckmassa – de theoretische bovengrens die elementaire deeltjes kunnen hebben, 2,17645 x 10−8 kg, oftewel de eerder genoemde 1.22 x 1019 GeV. In de grafiek hieronder zie je van links naar rechts die waaier aan mogelijke massa’s, in electronvolt – 1 GeV is een miljard eV.
(credit: Universe-review.ca.)
Ergens bij 10¹¹ (100 GeV) zie je de ‘electro-weak symmetry masses W+, W- en Z‘, dat zijn de dragers van de zwakke wisselwerking. In die buurt zit ook de massa van het Higgs boson zelf, die zoals gezegd ongeveer 126 GeV schijnt te zijn, 125,8 ± 0,4 GeV volgens de laatste in Kyoto gepresenteerde gegevens van de CMS-detector van de Large Hadron Collider van CERN. De grote vraag is waarom het Higgs boson zich in die contreien van de schaal bevindt en niet helemaal rechts, bij de Planckmassa, waar ‘ie op theoretische gronden zou moeten zijn. In een boekbespreking die hij in juli 2012 kort na de bekendmaking van de ontdekking van het Higgs boson deed voor de New York Review of Books beschreef de beroemde natuurkundige Steven Weinberg dit als volgt:
In fact, there is something puzzling about the Higgs mass we now do observe. It is generally known as the “hierarchy problem.” Since it is the Higgs mass that sets the scale for the masses of all other known elementary particles, one might guess that it should be similar to another mass that plays a fundamental role in physics, the so-called Planck mass, which is the fundamental unit of mass in the theory of gravitation. (It is the mass of hypothetical particles whose gravitational attraction for one another would be as strong as the electric force between two electrons separated by the same distance.) But the Planck mass is about a hundred thousand trillion times larger than the Higgs mass. So, although the Higgs particle is so heavy that a giant particle collider was needed to create it, we still have to ask, why is the Higgs mass so small?
Het gaat dus om het hiërarchieprobleem, dat door velen wordt beschouwd als het grootste probleem van de hedendaagse natuurkunde. Hij wordt ook wel eens anders geformuleerd: waarom is de zwaartekracht 10³² keer zwakker dan de zwakke wisselwerking? De zwaartekracht en zwakke wisselwerking zijn twee van de vier bekende natuurkrachten, de andere twee zijn de sterke en electromagnetische wisselwerking. Natuurkundigen denken dat de vier natuurkrachten bij de ‘normale’ energie gescheiden voorkomen, maar dat ze bij de extreme omstandigheden van de oerknal, waarmee 13,7 miljard jaar geleden het heelal ontstond, ‘geünificeerd’ waren. Het volgende schema laat zien hoe dat er uit moet hebben gezien:
De unificatie van alle vier natuurkrachten zou hebben plaatsgevonden toen alle elementaire deeltjes een energie hadden van… 12.200.000.000.000.000.000 GeV, aha da’s die Planckenergie! Berekeningen laten zien dat dát moment zich 5.39121 x 10-44 s na de oerknal moet hebben voorgedaan, de zogenaamde Plancktijd. Kort na dat moment moet het Higgs boson zich voor het eerst hebben gepresenteerd en volgens sommige natuurkundigen met een gigantische impact: niet alleen zouden toen de elementaire deeltjes zoals quarks en electronen hun massa hebben verkregen, maar ook zou de zwaartekracht door het Higgs boson enorm verzwakt zijn – het hiërarchieprobleem dus – en zou het heelal daardoor vanaf 10-36 seconde tot zo’n 10-32 seconde na de oerknal een periode van exponentiële groei hebben doorgemaakt, de inflatieperiode. Afijn, om op mijn oorspronkelijke vraag uit te komen: waarom is het Higgs massa 126 GeV en niet 12.200.000.000.000.000.000 GeV? Het antwoord: dat weten we gewoon nog niet, al zijn er ideeën zat om het te verklaren, zoals de supersymmetrie. Maar ja, die theorie heeft het de laatste tijd weer behoorlijk lastig. Zucht… Bron: Start’s with a bang + Collider Blog + NYR.
