Yurii Mongol
0 
1395
83
Vandaag is een goede dag voor natuurkunde.
Twee nieuwe resultaten die vandaag (4 juni) zijn vrijgegeven, hebben aangetoond dat het Higgs-deeltje opduikt samen met het zwaarste deeltje dat ooit is ontdekt. En de resultaten zouden ons kunnen helpen een van de meest fundamentele problemen in de natuurkunde beter te begrijpen: waarom materie massa heeft.
De bevindingen werden gepubliceerd op de Large Hadron Collider Physics 2018-conferentie in Bologna, Italië. De ontdekking werd onafhankelijk bereikt door twee experimenten (A Toroidal LHC Apparatus, of ATLAS, en Compact Muon Solenoid, of CMS) met behulp van gegevens die zijn geregistreerd in de Large Hadron Collider (LHC), gelegen in het CERN-laboratorium in Zwitserland. Deze resultaten zijn voor het publiek beschikbaar in twee papers, een zojuist ingediend voor publicatie en een zojuist gepubliceerd.
Op jacht naar massa
De jacht op de Higgs en de oorsprong van de massa hebben een fascinerende geschiedenis. In 1964 voorspelden verschillende groepen wetenschappers, waaronder de Britse natuurkundige Peter Higgs en de Belgische natuurkundige Francois Englert, dat de massa van fundamentele subatomaire deeltjes ontstond door interacties met een energieveld dat nu het Higgs-veld wordt genoemd. Het energieveld doordringt het universum. Deeltjes die meer interactie hebben met het veld, zijn massiever, terwijl andere weinig interactie hebben met het veld, en sommige helemaal niet. Een gevolg van deze voorspelling is dat er een subatomair deeltje zou moeten bestaan dat het Higgs-deeltje wordt genoemd. [6 implicaties van het vinden van het Higgs-boson]
Na bijna 50 jaar zoeken vonden onderzoekers van de LHC in 2012 het Higgs-deeltje. Voor hun succesvolle voorspelling deelden Higgs en Englert de Nobelprijs voor natuurkunde van 2013..
Het zwaarste bekende fundamentele subatomaire deeltje is de top-quark, ontdekt in 1995 bij Fermilab, net ten westen van Chicago. Er zijn zes bekende quarks. Twee zijn stabiel en bevinden zich in het midden van protonen en neutronen. De andere vier zijn onstabiel en worden alleen gemaakt in grote deeltjesversnellers. Een enkele top-quark heeft een massa die vergelijkbaar is met een atoom van wolfraam.
Ongrijpbare meting
In de aankondiging van vandaag beschreven wetenschappers een klasse van botsingen waarbij een top-quark-materie / antimaterie-paar gelijktijdig met een Higgs-deeltje werd gecreëerd. Door deze botsingen kunnen wetenschappers de interactiesterkte tussen Higgs-bosonen en top-quarks rechtstreeks meten. Omdat de interactie van een deeltje met het Higgs-veld is wat een deeltje zijn massa geeft, en omdat het top-quark het meest massieve fundamentele subatomaire deeltje is, interageert het Higgs-deeltje het sterkst met het top-quark. Daarom zijn dit soort interacties een ideaal laboratorium om gedetailleerd onderzoek te doen naar de oorsprong van massa.
Deze meting was bijzonder uitdagend. Bij de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 waren slechts een handvol botsingen betrokken. Botsingen waarbij zowel Higgs-bosonen als top-quarks gelijktijdig worden geproduceerd, komen slechts voor bij 1 procent van de botsingen waarbij een Higgs-deeltje wordt geproduceerd. Als men de grote verscheidenheid aan manieren waarop top-quarks kunnen vervallen, meetelt, vereiste deze analyse tientallen onafhankelijke analyses, waarbij honderden onderzoekers betrokken waren. De analyses werden vervolgens gecombineerd tot één meting. Dit was een heel moeilijke prestatie.
Vóór deze meting was het niet mogelijk om de interactiesterkte van een top-quark en Higgs-bosonen rechtstreeks te meten. Higgs-bosonen hebben een massa van 125 GeV (miljard elektronvolt) en de top-quark heeft een massa van 172 GeV. Dus een top-quark / antiquark-paar heeft een massa van 344 GeV, wat groter is dan de massa van het Higgs-deeltje. Het is daarom voor een Higgsdeeltje onmogelijk om te vervallen tot een top-quark / antiquark-paar. In plaats daarvan wordt een top-quark / antiquark-paar gemaakt en een van die twee deeltjes zendt een Higgs-deeltje uit. Elke top-quark vervalt in drie deeltjes en het Higgs-deeltje vervalt in twee. Dus na het vervallen van de deeltjes, zijn er acht verschillende vervalproducten gevonden in de detector, die correct moeten worden toegewezen. Het is een zeer complexe set gegevens. [Vreemde Quarks en Muons, Oh My! De kleinste deeltjes van de natuur ontleed]
Het is ook een zeer zeldzame vorm van interactie. Wetenschappers zochten rond een biljard (10 verheven tot de 15 macht) botsingen tussen paren protonen om slechts een handvol botsingen met de vereiste kenmerken te identificeren.
Resterende mysteries
Hoewel de ontdekking van het Higgs-deeltje en daaropvolgende metingen ertoe leiden dat onderzoekers geloven dat de theorie die voor het eerst werd opgeschreven in 1964 door Higgs en Englert en anderen correct is, blijven er enkele belangrijke resterende mysteries bestaan. Onder hen: waarom heeft het Higgs-deeltje de massa die het heeft? En waarom is er überhaupt een Higgs-veld? Allereerst is het feit dat de Higgs-theorie niet wordt gemotiveerd door een dieper theoretisch kader. Het wordt gewoon toegevoegd. In zijn eenvoudigste vorm voorspelt het standaardmodel (dat de leidende theorie van subatomaire interacties is) dat alle fundamentele subatomaire deeltjes massaloos zijn. Dit is in directe tegenspraak met metingen. De Higgs-theorie wordt, als een soort theoretische pleister, toegevoegd aan het standaardmodel. Omdat de Higgs-theorie de massa van deze deeltjes kan verklaren, is de Higgs-theorie nu ondergebracht in het Standaardmodel.
Maar het is nog steeds een pleister, en dat is een onbevredigende situatie. Misschien kunnen we door de interacties tussen Higgs-bosonen en de deeltjes waarmee ze het sterkst reageren te bestuderen, gedrag ontdekken dat wijst op een diepere en meer verklarende onderliggende theorie..
Bovendien is de numerieke waarde voor de massa van het Higgs-deeltje een beetje een mysterie. Het Higgs-veld geeft massa aan fundamentele subatomaire deeltjes, inclusief het Higgs-deeltje zelf. Het verhaal is echter ingewikkelder dan dat. Vanwege kwantummechanische effecten kan het Higgs-deeltje zichzelf tijdelijk transmuteren in andere subatomaire deeltjes, waaronder de top-quark. Terwijl het Higgs-deeltje zich in deze getransmuteerde toestand bevindt, kunnen deze tijdelijke deeltjes een interactie aangaan met het Higgs-veld en daardoor indirect de massa van het Higgs-deeltje veranderen. Wanneer deze effecten in aanmerking worden genomen, is de voorspelde en gemeten massa van het Higgs-deeltje in grote onenigheid. Dit is een dringend mysterie voor de moderne natuurkunde en hopelijk zullen betere metingen van de interacties van Higgs-bosonen licht werpen op dit raadsel.
Hoewel de aankondiging van vandaag slechts een klein aantal botsingen omvat waarbij top-quarks en Higgs-bosonen worden gecreëerd, zal het in de toekomst mogelijk zijn om dit proces veel nauwkeuriger te bestuderen. De LHC werkt uitstekend, maar tegen het einde van 2018 zal hij slechts 3 procent van de verwachte gegevens hebben opgeleverd. Eind 2018 zal de LHC voor twee jaar worden stilgelegd voor upgrades en renovaties. In 2021 zal de aanvaller zijn operaties met wraak hervatten, actief tot 2030. In die periode verwachten wetenschappers 30 keer meer gegevens te registreren dan aan het einde van dit jaar zijn verzameld..
Het is moeilijk om te weten wat we zullen vinden. De LHC en bijbehorende detectoren zijn buitengewone stukjes technologie en het is eigenlijk waarschijnlijk dat ze nog meer gegevens zullen leveren dan voorspeld. Met zoveel gegevens is het heel goed mogelijk dat wetenschappers een nieuw fenomeen ontdekken dat nog niet is ontdekt, maar waarvoor we de leerboeken moeten herschrijven. Dat is geen garantie, maar één ding is zeker: de aankondiging van vandaag legt een duidelijk pad uit naar een beter begrip van de oorsprong van massa.
Opmerking van de uitgever: Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van 'The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind' (Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks video's over wetenschappelijk onderwijs. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.