Jacob Hoover
0 
1374
120
We kennen allemaal en houden van het Higgs-deeltje - dat tot grote ergernis van natuurkundigen in de media ten onrechte is getagd als het 'Goddeeltje' - een subatomair deeltje dat voor het eerst werd opgemerkt in de Large Hadron Collider (LHC) in 2012. Dat deeltje is een stuk van een veld dat de hele ruimte-tijd doordringt; het interageert met veel deeltjes, zoals elektronen en quarks, waardoor die deeltjes massa krijgen, wat best gaaf is.
Maar de Higgs die we zagen, waren verrassend licht van gewicht. Volgens onze beste schattingen had het een stuk zwaarder moeten zijn. Dit roept een interessante vraag op: zeker, we hebben een Higgs-deeltje gezien, maar was dat het enige Higgs-deeltje? Zweven er meer rond die hun eigen dingen doen?
Hoewel we nog geen bewijs hebben van een zwaardere Higgs, is een team van onderzoekers gebaseerd op de LHC, 's werelds grootste atoomvernietiger, op dit moment die vraag aan het verdiepen. En er wordt gepraat dat als protonen tegen elkaar worden geslagen in de ringvormige botser, zware Higgs en zelfs Higgs-deeltjes die uit verschillende soorten Higgs bestaan, uit hun schuilplaats kunnen komen. [Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die op de loer liggen in het heelal]
Als de zware Higgs inderdaad bestaan, dan moeten we ons begrip van het standaardmodel van de deeltjesfysica opnieuw configureren met het hernieuwde besef dat de Higgs veel meer omvat dan op het eerste gezicht lijkt. En binnen die complexe interacties kan er een aanwijzing zijn voor alles, van de massa van het spookachtige neutrinodeeltje tot het uiteindelijke lot van het universum..
Alles over het boson
Zonder het Higgs-deeltje stort vrijwel het hele standaardmodel in elkaar. Maar om over het Higgs-deeltje te praten, moeten we eerst begrijpen hoe het standaardmodel het universum ziet.
In onze beste opvatting van de subatomaire wereld met behulp van het standaardmodel, zijn wat we als deeltjes beschouwen eigenlijk niet erg belangrijk. In plaats daarvan zijn er velden. Deze velden doordringen en nemen alle ruimte en tijd op. Er is één veld voor elk soort deeltje. Er is dus een veld voor elektronen, een veld voor fotonen, enzovoort, enzovoort. Wat je als deeltjes ziet, zijn in feite lokale kleine trillingen in hun specifieke velden. En wanneer deeltjes op elkaar inwerken (door bijvoorbeeld op elkaar te stuiteren), zijn het echt de trillingen in de velden die een zeer gecompliceerde dans doen. [De 12 vreemdste objecten in het heelal]
Het Higgs-deeltje heeft een speciaal soort veld. Net als de andere velden doordringt het alle ruimte en tijd, en het kan ook praten en spelen met de velden van iedereen.
Maar het Higgs-veld heeft twee zeer belangrijke taken die door geen enkel ander veld kunnen worden bereikt.
Zijn eerste taak is om te praten met de W- en Z-bosonen (via hun respectievelijke velden), de dragers van de zwakke kernkracht. Door met deze andere bosonen te praten, kunnen de Higgs ze massa geven en ervoor zorgen dat ze gescheiden blijven van de fotonen, de dragers van elektromagnetische kracht. Zonder de lopende interferentie van het Higgs-deeltje, zouden al deze dragers worden samengevoegd en zouden die twee krachten samenvloeien.
De andere taak van het Higgs-deeltje is om met andere deeltjes te praten, zoals elektronen; door deze gesprekken geeft het ze ook massa. Dit komt allemaal goed uit, want we hebben geen andere manier om de massa van deze deeltjes te verklaren.
Licht en zwaar
Dit werd allemaal uitgewerkt in de jaren zestig door middel van een reeks gecompliceerde maar zeker elegante wiskunde, maar er is slechts een klein probleempje in de theorie: er is geen echte manier om de exacte massa van het Higgs-deeltje te voorspellen. Met andere woorden, als je op zoek gaat naar het deeltje (dat is de kleine lokale vibratie van het veel grotere veld) in een deeltjesversneller, weet je niet precies wat en waar je het gaat vinden. [De 11 mooiste wiskundige vergelijkingen]
In 2012 kondigden wetenschappers van de LHC de ontdekking van het Higgs-deeltje aan nadat ze hadden ontdekt dat enkele van de deeltjes die het Higgs-veld vertegenwoordigen, waren geproduceerd toen protonen met bijna lichtsnelheid tegen elkaar werden geslagen. Deze deeltjes hadden een massa van 125 giga-elektronvolt (GeV), of ongeveer het equivalent van 125 protonen - dus het is nogal zwaar maar niet ongelooflijk groot.
Op het eerste gezicht klinkt dat allemaal prima. Natuurkundigen hadden niet echt een duidelijke voorspelling voor de massa van het Higgs-deeltje, dus het kon zijn wat het wilde zijn; we vonden toevallig de massa binnen het energiebereik van de LHC. Breek de bubbels uit en laten we beginnen met vieren.
Behalve dat er enkele aarzelende, soort van halve voorspellingen zijn over de massa van het Higgs-deeltje op basis van de manier waarop het interageert met weer een ander deeltje, de top-quark. Die berekeningen voorspellen een aantal veel hoger dan 125 GeV. Het kan gewoon zijn dat die voorspellingen niet kloppen, maar dan moeten we teruggaan naar de wiskunde en uitzoeken waar het mis gaat. Of de discrepantie tussen brede voorspellingen en de realiteit van wat er in de LHC werd gevonden, zou kunnen betekenen dat er meer aan de hand is in het verhaal van het Higgs-deeltje.
Enorme Higgs
Er zou heel goed een hele overvloed aan Higgs-bosonen kunnen zijn die te zwaar zijn om te zien met onze huidige generatie deeltjesversnellers. (Het massa-energie-ding gaat terug naar Einsteins beroemde E = mc ^ 2-vergelijking, die laat zien dat energie massa is en massa energie is. Hoe hoger de massa van een deeltje, hoe meer energie het heeft en hoe meer energie het kost om die forse ding.)
In feite voorspellen sommige speculatieve theorieën die onze kennis van de fysica voorbij het standaardmodel duwen, het bestaan van deze zware Higgs-bosonen. De exacte aard van deze extra Higgs-karakters hangt natuurlijk af van de theorie, variërend van simpelweg een of twee extra zware Higgs-velden tot zelfs samengestelde structuren gemaakt van meerdere verschillende soorten Higgs-bosonen die aan elkaar zijn geplakt..
Theoretici zijn hard aan het werk om elke mogelijke manier te vinden om deze theorieën te testen, aangezien de meeste ervan eenvoudigweg niet toegankelijk zijn voor huidige experimenten. In een recent artikel dat is ingediend bij het Journal of High Energy Physics en online is gepubliceerd in het preprint-tijdschrift arXiv, heeft een team van natuurkundigen een voorstel gedaan om te zoeken naar het bestaan van meer Higgs-bosonen, gebaseerd op de eigenaardige manier waarop de deeltjes kunnen vervallen lichtere, gemakkelijker herkenbare deeltjes, zoals elektronen, neutrino's en fotonen. Dit verval is echter uiterst zeldzaam, zodat hoewel we ze in principe met de LHC kunnen vinden, het nog vele jaren zoeken zal duren om voldoende gegevens te verzamelen.
Als het op de zware Higgs aankomt, zullen we gewoon geduld moeten hebben.
- 7 vreemde feiten over quarks
- De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- Van oerknal tot heden: momentopnames van ons universum door de tijd
Oorspronkelijk gepubliceerd op .