25 mei 2022

Levensduur van het Higgs boson gemeten: 2,1 x 10-²² seconden

Het waargenomen verval van een Higgs boson in vier muonen. Credit: CERN

Natuurkundigen van het CMS-experiment, verbonden aan ’s werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève in Zwitserland, zijn er in geslaagd om de levensduur van Higgs bosonen te meten. Higgs bosonen zijn het laatste elementaire deeltje van het Standaardmodel dat ontdekt is dat was in 2012) en ze zijn de drager van het Higgsveld, dat in het hele universum aanwezig is. Door de higgsbosonen krijgen alle andere deeltjes massa. Zijn massa is 125 GeV/c², iets wat niet door het Standaardmodel (SM) kan worden voorspeld. Wat die wel kan voorspellen is de levensduur van het Higgs boson. De Higgs bosonen, waarvan het bestaan in 1964 voorspeld werd o.a. door Peter Higgs, kunnen op verschillende manieren ontstaan en ze vervallen na zeer korte tijd weer in andere deeltjes – lees deze Astroblog van tien jaar terug daarover. SM voorspelt dat de levensduur van Higgs bosonen 1,6 x 10-²² seconde is, dat ze na die korte periode in andere deeltjes vervallen, pakweg een biljoenste van een miljardste van een seconde. Maar dat is de theorie. Hoe meet je dat in de praktijk? Hoe meet je iets dat in een biljoenste van een miljardste van een seconde vervalt?

CMS detector credits; CERN

Nou met de Compacte Muon Solenoïde (CMS) detector van de LHC, een gigantisch groot instrument van 21 meter lang, 15 meter doorsnede en een gewicht is ongeveer 14,000 ton, zijn ze daar wonderbaarlijk in geslaagd. Direct meten van de levensduur gaat niet, maar er is een indirecte manier om ‘m te meten en dat is met behulp van de zogeheten massabreedte [1]ook wel de Relativistische Breit–Wigner verdeling genoemd, de breedte van de piek van de hoeveelheid geproduceerde Higgs bosonen in relatie tot diens massa. De grafieken laten niet een dun streepje zien bij 125 GeV/c², maar ze hebben een bepaalde breedte, die te maken heeft met Heisenberg’s Onzekerheidsprincipe. Door dat laatste principe, één van de fundamenten van de kwantummechanica, kunnen Higgs bosonen vervallen rondom hun ‘nominale’ massa van 125 GeV/c² (de zogeheten On-shell peak opleverend), maar kunnen ze ook zwaarder zijn dan die 125 GeV/c² en dan in nog kortere tijd vervallen (het zogeheten Off-shell continuum opleverend). Zie de volgende grafiek die dat illustreert, waarbij het Higgs boson vervalt in twee Z bosonen, dat zijn dragers van de zwakke wisselwerking (H > ZZ).

Credit: CMS Collaboration.

Van belang is te weten dat de verhouding van de productiesnelheid in het massagebied buiten de schil tot die in het gebied op de schil evenredig is met de massabreedte van het Higgs-deeltje en die is weer gekoppeld aan de levensduur van het Higgs boson. Door nu de On-shell peak en het Off-shell continuum te meten wisten de mensen van het CMS-experiment op basis van de gegevens verzameld tijdens Run 2 van de LHC de levensduur te bepalen: 2,1 x 10-²² seconden, met een onzekerheid naar boven resp. naar beneden van (+2,3/-0,9) x 10-²² seconden, een waarde die goed overeenkomt met de voorspelde waarde volgens SM. Bron: Phys.org.

References

References
1 ook wel de Relativistische Breit–Wigner verdeling genoemd

Comments

  1. Hoi,

    Vraagje, hoe kan een deeltje van 125GeV/c² uiteenvallen in 2 deeltjes van 91 GeV/c² elk?

    • Bij de botsingen van de protonen komt een energie vrij van in totaal 13 TeV. Dat levert het Higgs boson op, wiens rustmassa weliswaar 125 GeV is, maar die meer energie heeft door de botsing en daardoor in staat is om in twee Z bosonen te vervallen.

  2. Hoi,

    Vraagje, “Door de higgsbosonen krijgen alle andere deeltjes massa.”
    Ik dacht juist dat het het Higgs-veld was, waar de andere deeltjes zich ‘doorheen moeten werken’, dat zorgt dat andere deeltjes hun massa verkrijgen.

    • Ja klopt, maar bij dat door het veld heen wurmen hebben de Higgs bosonen ook een rol. Zoals Wikipedia het zegt: Simplistisch gezegd zijn higgsbosonen de klontjes in een dikke soep (het BEH-veld) waar alle deeltjes doorheen bewegen; hoe meer higgsbosonen er aan een deeltje ‘blijven plakken’, hoe moeilijker het beweegt en hoe meer massa het deeltje dat erdoorheen beweegt dus heeft.

  3. Als het deeltje nu een oneindig leven was beschoren dan zou ik de theorie van Higgs wel kunnen pruimen, maar met zo´n korte levensduur zou je m.i. het aantal spontaan gegenereerde Higgs bosonen in het heelal op elk moment op 1 hand kunnen tellen… als je snel genoeg bent natuurlijk. Het blijft natuurlijk een theorie die stand houdt tot de volgende theorie 😀 .

    • Die energie van 14 TeV heb je inderdaad niet zo vaak. Maar in de eerste momenten van het heelal wel en toen deed het Higgs boson zijn werk.

      • Het kan natuurlijk niet zo zijn dat je met een handvol overgebleven Higgs bosonen na de BB de massa van een uitdijend heelal (met een meebewegend scalar veld) in leven houdt Arie, het gaat er bij mij niet in. Dat het deeltje bestaat is mijn probleem niet maar wel deze specifieke eigenschap. Wat ik weer wel geloof is dat je met wat elektronen een taart kan bakken, dat had Thomson weer niet voorspelt :-D.

        • Nico, waar haal jij dat handjevol vandaan?

          • Je hebt gelijk @Arie, er is hier helemaal NIETS over bekend, maar dat is voor de theorie blijkbaar geheel niet belangrijk. 1 boson moet voldoende zijn omdat het veld oneindig is. Dat velden van meerdere bosonen cumuleren kan eigenlijk niet omdat dan de massa´s van deeltjes gaan variëren afhankelijk van het aantal… Ik denk wel dat je voor een handje vol zwarte gaten een stevig lokaal Higgs veldje nodig hebt 🙂 Zoals je leest begrijp ik er niets van….

    • Nico: neutronen vervallen ook en toch bestaat materie.

      Een argument uit ongeloof en/of onwetendheid is een drogreden, geen inhoudelijke kritiek.

      • @Spook, in de laatste zin geef ik dat ook ruiterlijk toe, het is onbegrip; het postuleren van eigenschappen die niet bewijsbaar zijn is lastig. Het heet niet voor niets het GOD deeltje, je moet er in geloven. Ik wacht daarom met spanning naar de volgende spooktheorieën. Feitelijk bestaat er volgens nieuwe theorieën geen enkel Higgs boson meer maar is het inmiddels een hele Higgs boson familie met allemaal verschillende eigenschappen en decay patronen. zie: http://cds.cern.ch/record/2758271?ln=en P.S. In stabiele atoomkernen leven neutronen ook langer dan de levensduur van het heelal, in onstabiele kernen kunnen neutronen ontstaan uit protonen ( via invers bètaverval). Alleen vrije neutronen zijn instabiel, dus dat is ook geen houdbaar argument waarom materie toch bestaat.

        • “Alleen vrije neutronen zijn instabiel, dus dat is ook geen houdbaar argument waarom materie toch bestaat.”

          Ik blijf erbij: ik weet heel weinig van neutronen, maar ik weet wel dat ze niet stabiel zijn, dus de theorie van materie kan niet juist zijn.

          Ik zie geen substantieel verschil met: ik begrijp niks van het Higgsmechanisme, maar het is een spooktheorie, je moet erin geloven, ik kan het niet pruimen.

Speak Your Mind

*

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