Opgefrist routeplan Europese deeltjesfysica gepubliceerd

Credit: CERN

De CERN-Raad heeft vandaag tijdens een virtuele open zitting de nieuwe strategie bekendgemaakt voor de toekomst van de deeltjesfysica in Europa. De update van 2020 van de Europese strategie voor deeltjesfysica geeft een visie voor de toekomst van het veld zowel op korte als op lange termijn. Met deze visie behoudt Europa een leidende rol in de deeltjesfysica en in de innovatieve technologieën die in dit kader ontwikkeld worden.

De wetenschappelijke prioriteiten zijn het higgsdeeltje in detail bestuderen en de high-energy frontier, de grens van de hoogst haalbare energie, verkennen. Dit zijn twee cruciale en elkaar aanvullende manieren om de open vragen in de deeltjesfysica aan te pakken.

Het document noemt hiertoe als hoogste prioriteit na de Large Hadron Collider (LHC) een “Higgs-fabriek”. Zo’n elektron-positron versneller kan heel precies de eigenschappen van het higgsdeeltje meten dat wetenschappers in 2012 bij de LHC op CERN ontdekten. Bovendien beveelt de strategie aan dat Europa, samen met de wereldwijde gemeenschap, een haalbaarheidsonderzoek uitvoert voor een nieuwe generatie hadron-hadron versneller, met een elektron-positron versneller als een mogelijke eerste fase. Op de langere termijn moet zo’n hadron-hadron versneller botsingen met de hoogst haalbare energieën onderzoeken. De strategie onderstreept daarbij het belang van het opvoeren van de R&D-activiteiten voor geavanceerde versneller-, detector- en computertechnologieën. Dit is een noodzakelijke voorwaarde voor alle toekomstige projecten.

Nikhef-directeur prof. Stan Bentvelsen onderkent het belang van de opgefriste Europese strategie. “LHC is buitengewoon succesvol en heeft ons ontzettend veel geleerd over de wereld van elementaire deeltjes. Met deze strategie heeft deze versneller een uitstekende toekomst; het onderzoek aan het higgsdeeltje en alle andere fascinerende onderwerpen levert nog vele jaren top-wetenschap. Voor de haalbaarheid van de ambitieuze plannen op lange termijn is verdere samenwerking met de Europese labs, ook met Nikhef, cruciaal. Maar ook wereldwijde samenwerking, want zonder mondiale afstemming kom je er ook niet. CERN zal zijn world-leading positie moeten behouden, en deze strategie geeft daarvoor de ruimte.”

De succesvolle voltooiing in het komende decennium van de High-Luminosity LHC, waarvoor momenteel upgrade-werkzaamheden bij CERN worden uitgevoerd, moet een focus van de Europese deeltjesfysica blijven, aldus het document. Nikhef speelt een belangrijke rol bij het moderniseren van de LHC-experimenten, om ze gereed te maken voor de veel intensere deeltjesbundels van de High-Luminosity LHC. De High-Luminosity LHC zal naar verwachting tot 2038 in bedrijf zijn.

Een toekomstige electron-positron versneller, een Higgs-fabriek, zou moeten worden geïmplementeerd binnen 10 jaar na de volledige benutting van de High Luminosity LHC. De daarmee mogelijke precisiemetingen aan het higgsdeeltje zijn een veelbelovende manier om naar fysica te zoeken die verder gaat dan het standaardmodel.

De strategie gaat om meer dan alleen versnellerfysica. Zo blijft Europa neutrino-onderzoek in Japan en de VS steunen. Daarnaast wordt verdere samenwerking met het aangrenzende veld van de astrodeeltjesfysica opgezocht. Dit onderzoeksgebied bestudeert ook de fundamentele bouwstenen van het universum en hun interacties, met name via zwaartekrachtsgolven en de speurtocht naar donkere materie. Ook het belang van een breed programma in de theoretische deeltjesfysica wordt benadrukt, inclusief het ontwikkelen van nieuwe rekenmethoden.

De Large Hadron Collider. Credit: Maximilien Brice/ CERN.

Ambitieuze strategie gedreven door wetenschappelijke prioriteiten

“De strategie wordt vooral gedreven door de wetenschap en presenteert de wetenschappelijke prioriteiten voor het veld”, zegt Ursula Bassler, voorzitter van de CERN-raad. De in de strategie geschetste wetenschappelijke visie moet als richtsnoer dienen voor CERN en een coherent wetenschapsbeleid in Europa mogelijk maken.

“Dit is een zeer ambitieuze strategie, die met een voorzichtige, stapsgewijze aanpak een mooie toekomst schetst voor Europa en voor CERN. We zullen blijven investeren in sterke samenwerkingsprogramma’s tussen CERN en andere onderzoeksinstituten in de lidstaten van CERN en daarbuiten, ‘verklaarde CERN-directeur-generaal Fabiola Gianotti.’ Deze samenwerkingen zijn essentieel voor duurzame wetenschappelijke en technologische vooruitgang en leveren veel voordelen voor de samenleving op. ‘

“De natuurlijke volgende stap is het onderzoeken van de haalbaarheid van de aanbevelingen, terwijl we doorgaan met het volgen van een divers programma van projecten met grote impact”, legt voorzitter van de Europese strategiegroep Halina Abramowicz uit. “Europa moet de deur openhouden voor deelnamen aan andere grote projecten die het veld als geheel zullen dienen, zoals het voorgestelde International Linear Collider-project.” Bron: Nikhef.

LHC heeft eindelijk het meest favoriete verval van Higgs bosonen waargenomen

Credit: CERN/ATLAS Collaboration

Vandaag hebben natuurkundigen van de twee grote detectoren ATLAS en CMS verbonden aan de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève in Zwitserland, bekendgemaakt dat men met die twee detectoren het meest favoriete vervalkanaal van het Higgs boson heeft waargenomen. Volgens het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en natuurkrachten vervalt een Higgs boson in 60% van de gevallen na zeer korte tijd in een paar bottom quarks, het één na zwaarste quark dat er bestaat, na het zware top quark. Het Higgs boson werd zes jaar geleden ontdekt met de LHC, maar nu pas heeft men genoeg waarnemingen van zo’n verval gezien om te kunnen zeggen dat het ook daadwerkelijk gebeurt – de statistische betrouwbaarheid van de waarnemingen is 5,4?. In de 27 km lange LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en op de plekken van de detectoren komen ze met elkaar in botsing.

Credit: CERN/CMS Collaboration

Dat leidt tot de productie van Higgs bosonen, die na zeer korte tijd weer vervallen. Op de bovenste afbeelding zie je zo’n verval door ATLAS vastgelegd, waarbij een Higgs boson vervalt in twee bottom quarks en een begeleidend W boson in een ? (muon) en ? (neutrino) vervalt. De afbeelding eronder toont een verval zoals waargenomen door CMS, waarbij de protonenbotsing (pp) leidt tot het ontstaan van een Z boson en Higgs boson (H), waarbij het Z vervalt in een positron-electron paar en H in een paar bottom quarks. Grote vraag is natuurlijk waarom het zes jaar heeft geduurd voordat dit vervalkanaal, dat zoals gezegd het meest favoriete kanaal van het Higgs boson is om in te vervallen, is waargenomen. De reden is dat er heel veel manieren zijn om Higgs bosonen bij protonenbotsingen te produceren en die dan weer in bottom quarks te laten vervallen. Door die overvloed aan manieren is het erg lastig om het signaal boven de achtergrondruis uit te laten komen. Een veel minder vaak voorkomend vervalkanaal, zoals het verval in paren fotonen, is daarom veel vaker waargenomen.

Het Higgs deeltje is een manifestatie van het alomaanwezige Higgs veld. Dat veld geeft niet alleen massa aan de elementaire deeltjes, maar in theorie zou het ook kunnen reageren op donkere materie, iets dat buiten SM valt. Door onderzoek zoals nu gebeurt door ATLAS en CMS hoopt men daar meer te weten over te komen. Bron: CERN.

Jawel, het Higgs boson en top quark zijn verbonden aan elkaar

Credit: ATLAS Collaboration / CERN

De twee allerzwaarste elementaire deeltjes, het Higgs boson (124 GeV in massa) en het top quark (maar liefst 172 GeV), blijken daadwerkelijk verbonden te zijn aan elkaar, zo blijkt uit metingen gedaan met de grote CMS en ATLAS detectoren, die gekoppeld zijn aan de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller bij Genève. Bij de LHC knallen ze protonen, die met bijna de lichtsnelheid door de 27 km lange versneller razen, tegen elkaar aan, bij Run 1 nog met botsingsenergieën van eerst 6 en toen 7 TeV, bij Run 2 bij 13 TeV, en bij die botsingen ontstaan heel veel verschillende soorten deeltjes. In 2012 was al duidelijk dat één van die deeltjes het Higgs boson moest zijn, het deeltje dat in 1964 al door een klein groepje natuurkundigen was voorspeld, onder andere door Peter Higgs, wiens naam verbonden is aan het boson, het laatste bouwsteentje van het Standaard Model van de natuurwetenschap.

Volgens de theorie van Higgs et al zou het Higgs boson de manifestatie zijn van het alomaanwezige Higgs veld en elementaire deeltjes zouden dat veld op verschillende wijzen ervaren, hoe meer interactie met het veld des te meer massa zouden ze van het Higgs boson krijgen. Met de LHC kon men die interactie tussen Higgs boson en elementaire deeltjes prachtig waarnemen, behalve dan met het zesde en zwaarste quark, het in 1995 met de Tevatron (VS) ontdekte top quark. Tot nou toe dan. Want met de CMS detector werd enkele maanden terug al waargenomen dat bij proton botsingen [1]protonen zijn geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit drie lichte quarks en gluonen. Feitelijk zijn het twee gluonen die de top quarks en Higgs bosonen creëren. koppels van Higgs bosonen en top quarks ontstonden en dat blijkt nu ook door de andere detector te zijn gedaan, de kathedraal-grote ATLAS detector.

Credit: ATLAS Collaboration / CERN

De deeltjes in dit ttH kanaal, zoals de natuurkundigen het noemen, zijn zeer kortlevend. Na fracties van een seconde vervallen ze al weer in andere deeltjes en die kunnen met de gevoelige sensoren van de detectoren worden waargenomen (zie de afbeelding hieronder).

Credit: ATLAS Collaboration / CERN

Uit de metingen blijkt dat het higgsdeeltje zich tijdens de interactie met de topquarks net niet helemaal volgens het Standaard Model gedraagt, maar dat zou ook een meetfout kunnen zijn. Met behulp van meer gegevens, welke eind dit jaar beschikbaar komen, zou men kunnen weten of het echt een meetfout is of dat er werkelijk een afwijking (anomalie) is van SM. Hier zijn de twee vakartikelen van ATLAS en CMS over de metingen aan het ttH kanaal:

ATLAS

CMS

Bron: Francis Naukas + Symmetry Magazine

References[+]

References
1 protonen zijn geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit drie lichte quarks en gluonen. Feitelijk zijn het twee gluonen die de top quarks en Higgs bosonen creëren.

Wordt de donkere materie gevormd door mini-zwarte gaten afkomstig van de oerknal?

Credit: Wikimedia Commons/Alain R

De ontdekking van zware stellaire zwarte gaten (massa ?10-40 zonsmassa) als gevolg van de detectie van zwaartekrachtsgolven door de LIGO/VIRGO detector leverde al de suggestie op dat dit soort zwarte gaten, die in het vroege heelal moeten hebben bestaan, wellicht de donkere materie of een deel ervan vormen. Sinds kort is daar een variant van verschenen: op 23 maart verscheen het artikel Cosmological Signature of the Standard Model Higgs Vacuum Instability: Primordial Black Holes as Dark Matter in het vaktijdschrift Physical Review Letters, een artikel van de Spanjaarden J. R. Espinosa, D. Racco en A. Riotto. Die komen daarin met een model dat begint met Higgs bosonen, die kort na de oerknal 13,8 miljard jaar geleden moeten zijn ontstaan. Die Higgs bosonen – ook wel de God-deeltjes genoemd, omdat ze massa geven aan alle elementaire deeltjes die massa hebben – zijn in 2012 ontdekt en ze zijn zo’n 126 keer zwaarder dan een proton. Dat Higgs boson is een soort van excitatie van het alomaanwezige Higgs veld, zoals een foton een excitatie van het elektromagnetisch veld is. Natuurkundigen hebben het vermoeden dat het Higgs boson niet stabiel is, omdat het zich in een zogeheten vals vacuüm bevindt en daarmee zorgt voor een metastabiliteit van het heelal – leze deze blog over dat onderwerp.

Is het Higgs boson stabiel (echt vacuum) of niet (vals vacuum)? Credit: APS.

Gedurende de inflatieperiode, die kort na de oerknal moet hebben plaatsgevonden, waarbij het heelal exponentieel in omvang groeide, moeten het instabiele Higgsveld en de Higgs bosonen hebben gemerkt dat er kwantum fluctuaties ontstonden, die het gevolg waren van verschillen in dichtheid in de verschillende regio’s van het expanderende heelal. Toen moeten er uit die kwantum fluctuaties massaal mini-zwarte gaten zijn ontstaan, die een massa hadden van 5 x 10^17 gram, 50 biljoen kg, pakweg de massa van de Mount Everest.

Credit afbeelding: PRL.

Het zijn deze mini-zwarte gaten (‘primordial black holes’, PBH’s), die volgens de drie Spanjaarden álle donkere materie in het heelal vormen (de rode piek in de afbeelding hierboven). Die zwarte gaten moeten nog bestaan, want de Hawking verdamping gaat erg langzaam – de levensduur van zwarte gaten met die massa is 3,3 x 10^20 jaar. Met grote telescopen zoals de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), die nu in aanbouw is in Chili, zouden de signalen van dergelijke mini-zwarte gaten zichtbaar moeten zijn. Bron: Space.com + Francis Naukas.

Over het bestaan van het heelal

[Update 29 oktober 08.45 uur] Ik zag gisteren na de publicatie van mijn blog een artikel van de Spaanse natuurkundige francis Naukas, die Christian Smorra vanwege diens uitspraak dat het heelal er eigenlijk niet had mogen zijn helemaal afbrand. De metingen aan het magnetische moment van antiprotonen bevestigd de zogeheten CPT symmetrie, maar het zegt totaal niets over de schending van de CP symmetrie, die mogelijk zijn opgetreden tijdens de oerknal en die de asymmetrie tussen materie en antimaterie verklaart. Naukas noemt de uitspraak van Smorra en alle nieuws die het wereldwijd ontvangen heeft ‘paparruchas’, fake nieuws. Bron: La Ciencia de la Mula Francis.

Recentelijk zijn twee berichten tot ons gekomen, die gaan over het bestaan van het heelal – nogal fundamentele, existentiële berichten dus als je ’t zo mag zeggen. Ten eerste hebben ze onlangs zeer nauwkeurige metingen gedaan aan antiprotonen, de antideeltjes van de gewone protonen, de kerndeeltjes waar jij en ik, de planeten en sterren in dit heelal grotendeels uit bestaan. Het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten zegt dat materie en antimaterie qua eigenschappen exact hetzelfde zijn, dat ze symmetrisch zouden moeten zijn. Maar als dat zo is, dan zouden ze bij de oerknal, waarmee 13,82 miljard jaar geleden het heelal ontstond, in dezelfde hoeveelheden moeten zijn gecreëerd en dat zouden de deeltjes materie en antimaterie elkaar vervolgens moeten annihileren, overgaan in straling.

Maar ja, wij zijn er gewoon en dit heelal bevat heel weinig antimaterie (gelukkig maar). Vandaar dat materie en antimaterie wellicht toch niet helemaal hetzelfde zijn en een klein verschil in hun kwantumeigenschappen de verklaring levert voor het kennelijke overschot van materie boven antimaterie gedurende de oerknal en het feit dat wij er zijn. En dat was precies het doel van CERN’s Baryon–Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) bij Genève: kijken of er een verschil is in het magnetische moment van protonen en antiprotonen.

Dwarsdoorsnede van het BASE experiment. Credit: BASE Collaboration

Van protonen was dat al lang bekend, maar van antiprotonen niet. Nu is dat opgemeten en wat blijkt: het magnetisch moment van protonen en antiprotonen is exact hetzelfde. En dat betekent dus dat tijdens de oerknal materie en antimaterie toch in gelijke hoeveelheden moeten zijn gecreëerd en vervolgens geannihileerd. De eerste auteur van het vakartikel en leider van het BASE experiment, Christian Smorra, zei er deze week het volgende over:

All of our observations find a complete symmetry between matter and antimatter, which is why the universe should not actually exist. An asymmetry must exist here somewhere but we simply do not understand where the difference is. What is the source of the symmetry break?

Tsja, dat is nogal wat, eigenlijk zou dit heelal niet moeten bestaan! Maar ja, zoals gezegd bestaan het heelal wel degelijk en vullen wij met elkaar de aardkloot, die om de zon draait. Dat kan twee dingen betekenen: de waarnemingen gedaan met BASE kloppen wel, maar er zijn mogelijk andere verschillen tussen materie en antimaterie, die nog niet zijn opgemerkt. En het zou kunnen zijn dat het Standaard Model niet volledig is, dat er ‘Nieuwe Fysica’ is, die de feitelijke asymmetrie tussen materie en antimaterie kan verklaren.

Dan het tweede bericht over ons bestaan, nou ja eigenlijk over ons voortbestaan. We bestaan, daar kunnen we het met z’n allen wel over eens zijn, maar hoe lang bestaan we nog. Nee, dan heb ik het niet over klimaatopwarming met desastreuze gevolgen, over apocalyptische kometen die onze kant uitkomen of gekken in Washington en Pyongjang die op de rode knop drukken, nee dan heb ik het over het bestaan van het gehele universum. Zoals hier eerder beschreven en ook hier gemeld (u was gewaarschuwd!) zou het wel eens kunnen zijn dat wij ons bevinden in een metastabiel vals vacuüm, een toestand die zo maar door een mechanisme dat kwantumtunneling wordt genoemd over zou kunnen gaan in een stabiel echt vacuüm, met als gevolg dat alles in het heelal van het ene op het andere moment er niet meer is, een overgang die wellicht via groeiende bellen plaatsvindt.

Image Credits: Gary Scott Watso

Cruciaal in dit verhaal schijnt de massa te zijn van zowel het Higgs boson als het zwaarste quark dat er bestaat, het top quark. Beiden zijn lastig te meten, maar op dit moment zijn dit de beste waarden – op de x-as de massa van het Higgs boson, de de y-as de mass van het top quark.

Figure 2 from Bednyakov et al, Phys. Rev. Lett. 115, 201802 (2015)

Die rode punt in de grafiek geeft aan in welke toestand ons heelal zich bevindt, op basis van de gemeten massa’s van de twee deeltjes. Je ziet het, we zitten in een metastabiele toestand, helaas niet in de veilige onderste regionen van de grafiek, waar absolute stabiliteit heerst. Maar niet gewanhoopt, want die metastabiele fase kan nog heel lang duren. Berekeningen geven aan dat deze fase pakweg 10^613 ( 😯 ) keer zo lang kan duren als de huidige leeftijd van het heelal. Ooooh, het heelal blijft nog wel eventjes bestaan… tenminste, volgens het Standaard Model. Mocht er toch Nieuwe Fysica zijn met nieuwe, zwaardere (supersymmetrische) deeltjes, dán wordt het weer een ander verhaal. Wordt vast vervolgd! Bron: Astroengine + Backreaction.

Heeft de LHC een hobbel bij 700 GeV gezien, wijzend op een nieuw Higgs deeltje?

Zoem zoem zoem, het is weer eens zo ver. Er wordt op internet flink gezoemd in de blogosfeer van wetenschappers dat de twee grote detectoren CMS en ATLAS van de Large Hadron Collider (LHC), de 27 km grote deeltjesversneller van CERN bij Gen

Alles wat we op dit moment weten over het Higgs boson

Credit: CERN/ATLAS/CMS

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.

Credit: CERN/ATLAS/CMS

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:

Credit: CERN/ATLAS/CMS

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.

De Large Hadron Collider produceert evenveel Higgs bosonen als… onze atmosfeer

Credit: CMS

In ’s werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC) bij Genéve, worden miljarden keren per seconde protonen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar geknald, waardoor er allerlei nieuwe deeltjes ontstaan, meestal bekende oninteressante deeltjes, soms nieuwe, onbekende, interessante deeltjes. Het in 2012 met de LHC ontdekte Higgs boson is er eentje van de laatste categorie, het laatste ontbrekende deeltje van het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten. Maar de LHC is niet de enige die op dit moment – nu ook weer tijdens de onlangs gestarte Run 2 – Higgs bosonen weet te produceren, er is nog een grote producent op aarde en dat is… onze eigen atmosfeer! Nou ja, onze atmosfeer in samenwerking met een ander stukje van moeder natuur, te weten de kosmische straling. Dat is zeer energierijk straling, waarvan de oorsprong nog niet bekend is en die voornamelijk uit protonen bestaan. De afzonderlijke protonen in de LHC hebben een energie van 6,5 TeV (=6,5 x 10^12 eV), die van de kosmische straling is véél hoger:

Credit: Asimmetrie/Infn

De laagste (kinetische) energie is zo’n 1 x 10^9 eV, de energie van de ‘ultra-high-energy cosmic ray (UHECR)’ is minstens 1 x 10^18 eV, de meest energierijke categorie is die van de ‘extreme-energy cosmic ray (EECR)’, die meer dan 5 x 10^19 eV aan energie hebben. Recordhouder onder de EECR’s is het Oh-mijn-God-deeltje, welke op 15 oktober 1991 ’s nachts werd gedetecteerd met de Fly’s Eye array in de militaire basis Dugway Proving Ground in de woestijn van Utah (VS). De kinetische energie van dit ene proton overtrof alles: 320 exa-electronvolt, oftewel 3,2 x 10^20 eV. Zou dit ene enkele deeltje op je teen vallen zou het net zo aanvoelen als een bowlingbal die op je tenen valt –  let wel, één bowlingbal bevat net zoveel atomen als er sterren in het heelal zijn.

Als die protonen van de kosmische straling de deeltjes in onze eigen atmosfeer op pakweg 10 km hoogte raken dan gebeurt er precies hetzelfde als in de LHC: ze vervallen in een ‘waterval’ (Engels: cascade) van deeltjes. Wat blijkt nou: dat ook daarbij Higgs bosonen ontstaan, weliswaar zeer kort levend (1,56 x 10-²² seconde), op hun beurt vervallen ze in de meeste gevallen in muonen. 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.

De ATLAS detector van de LHC van CERN. Credit: ATLAS.

De onzekerheid is 65%, dus er is een ruime marge (2 tot 9 Higgs bosonen per minuut). Als we even van die 8 seconden uitgaan worden er in de atmosfeer 430 Higgs bosonen per uur geproduceerd, 10.400 per dag en 3,8 miljoen per jaar. In zijn thesis noemt Unger ook de LHC die tijdens Run 1 in 2012 tijdens een periode van 73 dagen actief was in de productie van Higgs bosonen. Gedurende die periode maakte de atmosfeer 760.000 Higgs bosonen. De LHC maakte in die periode zo’n 493.000 Higgs bosonen, weliswaar lager dan de hoeveelheid die de atmosfeer produceerde, maar toen draaide de LHC nog op een botsingsenergie van 8 TeV. Inmiddels is de LHC omhoog geschroefd naar 13 TeV, zodat we redelijkerwijs kunnen aannemen dat ‘ie nog evenveel Higgs bosonen produceert als de atmosfeer. Bron: The Guardian + The Reference Frame.

Natuurkundige en Nobelprijswinnaar Yoichiro Nambu overleden

Yoichiro Nambu (1921-2015)

Deze week werd bekend gemaakt dat al op 5 juli j.l. de Amerikaans-Japanse natuurkundige Yoichiro Nambu op 94 jarige leeftijd in Osaka is overleden aan de gevolgen van een hartinfarct. Nambu is vooral bekend van zijn werk aan de zogeheten spontane symmetriebreking