18 november 2018

Alles wat we op dit moment weten over het Higgs boson

Mocht je een zee van tijd hebben en altijd al eens je tanden hebben willen zetten in een natuurwetenschappelijk vakartikel, dan raad ik je aan het volgende 61 pagina’s tellende artikel te lezen:

Measurements of the Higgs boson production and decay rates and Measurements of the Higgs boson production and decay rates and constraints on its couplings from a combined ATLAS and CMS analysis of the LHC pp collision data at √s = 7 and 8 TeV – The ATLAS and CMS Collaborations.

Het artikel is de culminatie van de kennis die door de ATLAS en CMS detectoren tijdens Run 1 (2010-2012) van de Large Hadron Collider (LHC) verzameld is. Op de gedenkwaardige 4e juli 2012 werd de ‘mogelijke’ ontdekking van het Higgs boson bekendgemaakt, toen nog omgeven met de nodige voorzichtigheid. Inmiddels weten we dat het inderdaad ‘een’ Higgs boson is – alleen is nog de vraag of het ‘t enige Higgs boson is of dat er een hele familie van Higgs bosonen is. Bovengenoemd artikel gaat vooral over de koppeling (Engels: ‘coupling’) van het Higgs boson aan andere deeltjes. In een eerdere blog heb ik verteld over de verschillende manieren waarop Higgs bosonen geproduceerd kunnen worden en waarop ze in andere deeltjes kunnen vervallen. Bij hun ‘geboorte’ en korte tijd later hun ‘dood’ speelt die koppeling – een dimensieloos getal – een grote rol en hieronder zie je de grafiek waarop de gemeten koppeling is weergegeven.

Op de y-as staat de koppeling van het Higgs boson als ‘ie via W en Z bosonen wordt geproduceerd, op de x-as via andere deeltjes. Het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en natuurkrachten voorspeld een waarde van 1 voor de koppeling via beide productiewijzen, aangegeven met de ster in de grafiek. De ovalen geven de gemeten koppelingen waar bij de verschillende kanalen waarin het Higgs boson kan vervallen, zoals in twee fotonen (??) en twee Z-bosonen (ZZ). Alle ovalen blijken de voorspelling van SM te dekken, een bevestiging hiervan.Het Higgs boson geeft via het Higgs mechanisme massa aan een deel van de elementaire deeltjes. Het is de koppeling die er voor zorgt dat die deeltjes hun massa krijgen. Als het inderdaad via dat Higgs mechanisme werkt moet de koppeling evenredig zijn aan de massa van de deeltjes – hoe sterker de koppeling des te meer massa. Dat is ook hetgeen ook door ATLAS en CMS is gemeten:

De blauwe stippellijn is de voorspelling volgens SM. Ook hier: een goede bevestiging van SM! In een eerdere gezamenlijke publicatie van ATLAS en CMS op basis van de protonenbotsingen tijdens Run 1 ging het over de massa van het Higgs boson, bepaald op 125,09 GeV. De twee gepubliceerde studies, de eerste over de massa van het Higgs boson, de tweede over de koppeling aan andere deeltjes, leveren op dit moment de beste kennis die we hebben van het Higgs boson, eh… sorry van ‘dit’ Higgs boson.

Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Er blijven overigens nog genoeg vragen over rondom het Higgs boson. Naast de eerder gestelde vraag of er maar één Higgs boson is of een hele familie is er ook nog de vraag waarom alle bosonen (deeltjes met hele spin) gekoppeld zijn aan een natuurkracht (fotonen aan de elektromagnetische kracht, W- en Z-bosonen aan de zwakke wisselwerking, gluonen aan de sterke wisselwerking, de hypothetische gravitonen aan de zwaartekracht), maar het Higgs boson aan geen enkele natuurkracht. Moet er niet een vijfde natuurkracht zijn die bij het Higgs boson behoort? Door verdere metingen met ATLAS en CMS tijdens Run 2 bij een hogere botsingsenergie van √s=13 Tev hoopt men op deze vragen antwoord te vinden. Wordt vervolgd. 😀 Bron: The Guardian + CERN + Symmetry Magazine.

Reacties

  1. Quote1 : “Het Higgs boson geeft via het Higgs mechanisme massa aan een deel van de elementaire deeltjes.”
    Quote2 : “…alle bosonen … gekoppeld zijn aan een natuurkracht : …de hypothetische gravitonen aan de zwaartekracht), maar het Higgs boson aan geen enkele natuurkracht…”

    Laat ik nu denken dat massa en zwaartekracht twee benamingen voor het zelfde zijn, net zoals dat (electrisch) potentiaal gelijk is aan electromagnetische kracht…

    In die denkwereld is een los, minuscule graviton niet noodzakelijk, we hebben immers al het Higgs-deeltje….

    Groet, Paul

    • Dat is mijn gedachte ook wel eens geweest. Gezien massa zwaartekracht als effect veroorzaakt is er ergens een verband tussen de zwaartekrachttheorie en het higgs-mechanisme. Maar hoe verder moet ik nog eventjes uitdenken. 🙂

      • Het heelal is doordrenkt van het Higgs veld, maar met Higgs bosonen is het een ander verhaal. Die komen alleen tevoorschijn bij zeer hoge temperaturen, als manifestatie van het Higgs veld, zoals tijdens de oerknal en bij de botsingen in de LHC. Higgs bosonen kunnen dus niet zo eventjes de rol over nemen van gravitonen om de zwaartekracht over te brengen.

        • Ik bedoelde eigenlijk einstein’s zwaartekrachttheorie, maar dat ben ik vergeten er duidelijk bij te zetten. Van de stringtheorie weet ik niet wat ik moet denken, ondanks dat het rekentechnisch best wel allemaal zal kloppen, maar bewijs blijft nog uit, zo ook gravitonen. Ook wordt er nog steeds bewijs voor einstein’s theorieën gevonden, dus zodoende hou ik het voorlopig bij einstein’s theorieën. 🙂

        • Ik kom net kijken, maar denk dat jij het toch verkeerd ziet !

          Als het heelal doordrenkt is van het Higgs-veld, dan moet de drager van dat veld er ook continu zijn.
          Zonder drager van de ‘kracht’, heb je ook geen veld, laat staan een alom aanwezig veld.

          Zo zijn er bv. in electromagnetische velden zeeën van fotonen. 🙂

          Dat er een veld zou zijn, waarvan het ‘communicatie’-mechanisme ontbreekt/afwezig is, lijkt mij niet te passen in onze Kennis der Natuur. 😉 ( en bosonen zijn die dragers )

          Groet, Paul

          .
          Zoals gezegd : “ik kom net kijken” , dus hoor ik graag waarom(!) ik het mis heb !!!!

          • Er mag dan continue een alomaanwezig Higgs veld zijn, dat wil niet zeggen dat er ook continue Higgs bosonen oppoppen die continue quarks. elektronen, W+ en Z bosonen hun massa geven. Dat is ooit bij de oerknal gebeurd, toen de deeltjes met massa werden gecreëerd en wat er vervolgens met die deeltjes is gebeurd en nog steeds gebeurt is een continue van het ene deeltje in het andere deeltje veranderen, telkens met e=mc2 als balans daarbij. Mocht een Higgs boson wel continue tevoorschijn komen, net zoals fotonen van het EM-veld, dan is de grote vraag waarom we er 50 jaar over gedaan hebben na Peter Higgs’ eerste voorspelling tot we er eentje vonden in de LHC.

          • Bedankt voor je antwoord, Arie. 🙂

            Ik vind je antwoord wel onbevredigend, maar daar kan jij helaas niks aan doen.
            Kennelijk is het zo, of althans volgens onze huidige kennis lijkt het zo te zijn. 😉

            Groet, Paul

          • Misschien nog één kleine aanvulling om het wellicht wat bevredigender te maken: je maakt in je vraag de vergelijking met fotonen, dragers van de elektromagnetische wisselwerking. Als we fotonen en Higgs bosonen vergelijken (beiden bosonen) dan zien we ook gelijk het grote verschil tussen die twee: fotonen hebben géén massa, Higgs bosonen hebben veel massa (125 GeV, pakweg 125 keer zo zwaar als een proton). Fotonen kunnen dus gemakkelijk met een beetje energie gecreëerd worden, Higgs bosonen krijg je alleen als je héél veel energie weet te creëren. De LHC kan die energie opbrengen, kosmische straling vanuit de ruimte die tegen de moleculen van de aarde atmosfeer beukt kan dat ook, dus ook daar kunnen Higgs bosonen ontstaan. De natuurkundige Josua Unger heeft vorig jaar berekeningen gedaan en daaruit blijkt dat in de atmosfeer gemiddeld iedere 8 seconden een Higgs boson wordt geproduceerd.

          • Rob kamer zegt:

            Arie of ieder ander, als het (aangenomen massaloze ) foton nou toch een minuscule massa heeft….? ik stel of vraag: waarneming is = interactie= met foton en observant, dus reactie in de vorm van energie. Wij nemen immers waar. Als die waarneming nou eens dat kleine beetje energie (massa) is? De gebeurtenis geeft immers een impuls in ons brein ( door middel van energie) . het golf-deel verhaal qua foton terzijde omdat die natuurlijk in het electromagnetisch spectrum zijn weg vindt. Maar de dualiteit van de deeltjes en dus ook het foton zou dat toch toe moeten staan lijkt me. Het raast heel prematuur door mijn brein. Ik kan me namelijk dat massaloze deel niet zetten in mijn perspectief (Wet van behoud van energie ) en dergelijke
            plaatsen
            Rob Kamer.

  2. Rob, bedankt voor je reactie. Waar het hier om gaat is het begrip rustmassa, op z’n Engels de ‘invariant mass’. Die is bij fotonen nul, ze bezitten alleen energie (weinig > zoals radiogolven, veel > zoals röntgen- en gammastraling). Stel dat ze wel iets rustmassa zouden hebben, dan zouden ze niet met de lichtsnelheid kunnen reizen, want dat is alleen voorbehouden aan massaloze deeltjes. Je wijst verder op de invloed die de waarnemer heeft op het foton. Dat is juist en dat is ook hetgeen een belangrijk aspect is van de kwantum-mechanika, dat hetgeen je waarneemt door de waarnemer wordt beïnvloed, bijvoorbeeld doordat er licht (fotonen!) op schijnt om iets te kunnen zien. Ik geloof dat John Wheeler dit het participatoir heelal noemde, vanwege onze rol daarin. Maar het blijft dat de rustmassa van het foton nul is, hij heeft alleen kinetische energie.

    • Ik wil niet teveel Off Topic raken, maar lang dacht men dat Neutrino’s ook (rust-)massaloos waren.

      Nu ‘weet’ men dankzij de oscillatie van Neutrino’s (tussen de 3 generaties), Neutrino’s wel rustmassa hebben.
      Wikipedia noemt zelfs de waarde-grootte van die massa !

      Tijdens ‘de registratie’ van Supernova 1987A kwamen de Neutrino’s zelfs eerder dan de Fotonen aan op Aarde.
      (3 uur eerder !! ) En dat te bedenken dat de Neutrino’s iets onder c ‘voortbewegen’….. 🙂
      Ik dacht dat Olaf er een mooie blog over geschreven heeft, waarom de Fotonen zo veel langzamer gingen.
      Iets van “oscillatie in vacuüm” tussen fotonen en electron-positron-paar.

      Maar het kan natuurlijk ook zijn dat Fotonen net als Neutrino’s een minimale massa hebben…. 😉
      Overigens zijn Fotonen (en Neutrino’s) in rust(!) nooit waargenomen. !!!

      En dat pleit niet voor een rustmassa.

      Met Vriendelijke Groet !!
      Paul

      PS misschien moet ik m’n avatar wijzigen in Idéfix, het hondje van Obelix.
      Als jonge hond // kom net kijken – met vast verkeerde conclusies. 😉
      Mijn excuses daar voor.

  3. https://www.astroblogs.nl/2014/06/28/kan-het-licht-langzamer-gaan-dan-gedacht/

    Ik heb nog even de blog opgezocht, waar ik over/naar verwees.
    [ Inderdaad eentje van Olaf, mijn geheugen werkt nog goed genoeg. 🙂 ]

    Bij Toutatis, Olie. 😉

Laat wat van je horen

*

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