De theorie achter het Higgsdeeltje Het Higgsdeeltje wordt ook wel

De theorie achter het Higgsdeeltje
Het Higgsdeeltje wordt ook wel het ‘goddeeltje’ genoemd. Dat klinkt misschien wat
overdreven, maar de reden hiervoor is goed verklaarbaar. Een van de meest fundamentele
eigenschappen die een deeltje heeft is massa. Een tot een aantal jaren geleden onbeantwoorde
vraag was dan ook waar deze massa vandaan komt? Als er dan uiteindelijk een mogelijke verklaring
voor deze eigenschap wordt gevonden, is het deeltje dat correspondeert met deze eigenschap al snel
omgedoopt tot een ‘goddeeltje’. Massa ontstaat namelijk door interactie van een deeltje met het
Higgsveld.
Dit principe is vrij eenvoudig voor te stellen. Stel je een kamer voor met allemaal belangrijke
mensen. Op het moment dat de president deze kamer binnenkomt zal er een cluster van mensen om
de president komen te staan, die met hem willen praten. Hierdoor wordt het voor de president
moeilijker om de kamer door te komen. De president kan je in dit geval zien voor een deeltje dat
massa (wrijving in dit geval) krijgt door het Higgsveld. Het Higgsdeeltje past in dit voorbeeld door niet
de president, maar een gerucht de kamer in te gooien. Hierdoor zullen de mensen ook gaan
clusteren, maar niet om een deeltje, maar om een gerucht. Het clusteren van deze mensen door de
kamer kan je zien als het Higgsdeeltje (zie cartoon op de volgende pagina).
De grote ontdekking van Higgs was eigenlijk dat hij met zijn Higgsveld massa kon geven aan
het W en Z boson. In 1961 was het Sheldon Glashow die voor het eerst de electromagnetische en
zwakke kracht samenvoegde. Volgens deze theorie moesten de boodschapperdeeltjes van de zwakke
kracht massaloos zijn, maar door zijn korte dracht heeft hij zonder precies te weten waarom er toch
een massa aan gegeven.
De volgende stap in het begrijpen van deze massa’s kwam verderop in de jaren 60 wanneer
Yochiro Nambu en Jeffrey Goldstone ontdekken dat de symmetrie van vacuum bij lage temperatuur
wordt gebroken. Bij hogeren temperaturen is er een symmetrie die er voor zorgt dat alle
natuurkrachten verenigd worden. Het probleem was alleen dat de symmetriebreking die optreedt
tussen de electromagnetische en electrozwakke wisselwerking geen massa gaf aan de
boodschapperdeeltjes. Higgs was degene die in 1966 samen met zijn medewerkers Robert Brout en
François Englert inzag dat als je het scalaire Higgsveld combineert met de ijktheorie van de
electrozwakke wisselwerking er een mooie oplossing ontstond die massa gaf aan het W en Z deeltje
(ik zal verder niet ingaan op de details van dit zgn. Higgsmechanisme). Toen Higgs dit echter in een
artikel wilde publiceren werd het geheel afgewezen, maar nadat hij er een regel aan toevoegde
waarin stond dat dit tot gevolg heeft dat er een nieuw deeltje moest zijn, werd het uiteindelijk toch
geaccepteerd en gepubliceerd.
Het Higgsveld verschilt op 3 manieren van de voor ons bekendere velden zoals het
elektromagnetisch veld. Allereerst heeft het Higgsdeeltje in tegenstelling tot bijvoorbeeld het photon
(boodschapperdeeltje van het EM-veld) een spin 0. Deze spin 0 verklaart de 2 overige verschillen tov.
het EM-veld. Zonder in details te treden, zorgt de spin 0 van het Higgsdeeltje ervoor dat het
Higgsveld niet naar 0 gaat over kosmische afstanden. Met andere woorden: nergens in de ruimte
heeft het Higgsveld de waarde 0. Dit is als volgt voor te stellen. Een systeem zit het liefst in de laagst
mogelijke energiewaarde. Als we de potentiaal van het EM-veld voorstellen als twee bergen, dan zal
het systeem altijd proberen om tussen deze twee bergen in te zitten. Alleen in het geval van het
Higgsveld is er tussen deze twee bergen nog een heel klein bergje dat er voor zorgt dat het dal iets
omhoog wordt geschoven naar een waarde boven 0. Ons universum zal dan ook in dit dal zitten en
daarom is het Universum gevuld met een Higgsveld groter dan 0.
Het derde verschil is hoe het Higgsveld interageert met deeltjes. Zo zal de interactie van het
Higgsveld met een deeltje, het deeltje doen bewegen alsof het massa heeft. Deze massa is
proportioneel met de grootte van het Higgsveld vermenigvuldigd met de interactie met het
Higgsveld.
Cartoon met uitleg over het Higgsveld
Een ruimte met een aantal belangrijke mensen (higgsveld)
De president (deeltje) komt binnen en iedereen wil met hem praten
Er vormt zich een cluster om de president, die daardoor moeilijker
door de kamer kan bewegen (massa)
Een gerucht wordt de kamer in gebracht
Er vormt zich een cluster van mensen die het gerucht verspreiden
(higgsdeeltje)
De Experimentele zoektocht naar het Higgsdeeltje
De theorie van het Higgsveld kan op twee manieren worden geverifieerd. De eerste methode
is een stukje vacuum verwarmen tot een temperatuur die nodig is om de gebroken symmetrie weer
te herstellen. In dat geval zouden alle deeltjes weer massaloos moeten worden. Het probleem met
deze aanpak is alleen dat we in laboratoria deze temperaturen (nog) niet kunnen bereiken en
mogelijk nooit zullen bereiken.
De tweede en betere methode om de theorie te verifieren is met behulp van het
Higgsdeeltje. Dit kan op twee manieren. Allereerst is het belangrijk om een Higgsdeeltje te vinden.
Als dit deeltje niet kan worden gevonden is de theorie waarschijnlijk ook niet correct. Mocht het
mogelijk zijn dit Higgsdeeltje te detecteren dan kan je kijken welke interacties hij aangaat met andere
deeltjes. De theorie vertelt precies hoe dit er aan toe gaat en dus geeft het ook een mogelijke
verificatie van de theorie. Tot slot is het ook mogelijk dat er meerdere Higgsdeeltjes gevonden
worden. In het geval van supersymmetrisch standaardmodel (SSM) moeten er meerdere Higgsvelden
zijn met meerdere Higgsdeeltjes. Deze moeten dan ook kunnen worden gedetecteerd.
De zoektocht naar een Higgsdeeltje duurt al een aantal jaren. De moeilijkheid zit hem in het
feit dat we de theorie nog niet zo goed begrijpen dat we kunnen zeggen hoe zwaar het deeltje moet
zijn. Het is dus een beetje gissen naar de juiste massa. Door een beetje logisch naar de theorie te
kijken en de resultaten van vorige experimenten te gebruiken, kunnen we wel een indicatie krijgen in
welke richting we moeten zoeken.
In Zwitserland bij het CERN stond de LEP (Large Electron-Positron Collider). Met deze
versneller kan gezocht worden naar deeltjes met een massa tot 120 GeV. In de limiet van deze
versneller is mogelijk indirect bewijs gevonden voor het bestaan van een Higgsdeeltje, maar direct
aangetoond is deze nog niet. Door data te combineren met andere versnellers (Tevatron en de
versneller bij het Stanford Linear Accelerator Center) kunnen we wel een deel toetsen aan de
theorie. De theorie verklaart alle resultaten maar wel
onder voorwaarde dat het lichtste Higgsdeeltje niet
zwaarder is dan 200 GeV. Dit geeft de onderzoekers
direct een bovenlimiet voor het zoeken naar het deeltje.
Vooral vanwege deze bovenlimiet wordt er met
smart uitgekeken naar de ingebruikname van de LHC
(Large Hadron Collider). Deze versneller is de vervanger
van de LEP en moet energiën kunnen halen van 7 TeV.
Genoeg dus om een Higgsdeeltje aan te tonen. De hoop
op de experimentele bevestiging van het Higgsdeeltje is
dan ook gevestigd op een datum ergens in 2007/2008
wanneer de LHC op volle toeren moet draaien.
Fig #. De LHC bij het CERN
Supersymmetrie
Ons begrip van het Higgsveld is nog niet volledig. Zo is er nog niet bekend hoeveel
verschillende Higgsvelden er zijn. De theorie van het standaardmodel heeft genoeg aan een
Higgsveld, maar aangezien deze theorie mogelijk moet worden uitgebreid tot een super symmetrisch
standaardmodel (SSMs) kan dat ervoor zorgen dat er meerdere Higgsvelden moeten zijn. Hiermee
zijn er minstens 2 Higgsvelden nodig met 5 Higgsdeeltjes . Waarom is deze supersymmetrie dan
nodig?
Het standaardmodel lijkt een mooie weergave te zijn van de werkelijkheid, vergelijkbaar met
het periodiek systeem der elementen in de scheikunde. Toch wordt er gedacht dat het
standaardmodel nog niet compleet is. De reden hiervoor is van quantum-mechanische aard. Een
Higgsdeeltje krijgt zijn massa niet alleen door interacties met het Higgsveld, maar ook door
interacties met virtuele deeltjes. Dit zijn deeltjes die vanuit het vacuum plotseling kunnen
verschijnen en bijna direct weer verdwijnen. Ondanks hun extreem korte levensduur kunnen ze toch
invloed hebben op de eigenschappen van andere deeltjes.
Deze virtuele deeltjes mogen quantummechanisch gezien extreem hoge energiën hebben. Dit
heeft tot gevolg dat een Higgsdeeltje volgens deze
theorie ook extreem zwaar kan zijn. Dit klopt alleen niet
met de voorspelling die zegt dat een Higgsdeeltje een
massa heeft van tussen de 120 en 200 GeV. Dit
probleem wordt het ‘Hierarchie probleem’ genoemd.
Tot op dit moment is er eigenlijk slechts een
redelijk geaccepteerde oplossing voor dit probleem
(natuurlijk zijn er meerdere ideeën en ieder idee heeft
weer z’n aanhangers, maar dit idee heeft waarschijnlijk
de meeste aanhangers) nl Supersymmetrie. Volgens het
idee van de supersymmetrie heeft ieder deeltje in het
standaardmodel een symmetrische partner. Het klinkt
dubieus om het goed werkende standaardmodel zo
maar te wijzigen, maar aangezien we hier praten over
massa’s en energiën van ordes TeV is dat niet zo erg.
Tot nu toe is het standaardmodel slechts getoetst tot
100 GeV. Het zou dus een teken van bekrompenheid
zijn als je denkt dat er daar boven niks meer is.
Supersymmetrie lost het hierarchie probleem
op door te stellen dat alle symmetrische partners een
tegenovergestelde spin hebben dan de standaardmodel
deeltjes dwz. dat bosonen fermionen worden en vice
Fig #. Standaardmodeldeeltjes en hun
versa. Door nu te gaan rekenen aan de quantum
superpartners
correcties zal blijken dat ieder standaardmodel deeltjes
en zijn superpartner een even grote contributie doen
aan de eigenschappen van een Higgsdeeltje. Het verschil zit hem er alleen in dat het teken
omgekeerd is, zodat ze elkaar uitvagen.
Zoals ook geldt voor de Higgsdeeltjes is de hoop op experimenteel bewijs voor
supersymmetrie gevestigd op de LHC. De theorie voorspelt namelijk superpartners met massa’s die
gemeten moeten kunnen worden met de LHC.
Mogelijke verklaring van donkere materie
Volgens de theorie van SSM moet ieder standaarmodeldeeltje een super symmetrische
partner hebben. Dit betekent echter nog niet dat massa’s van deze deeltjes vergelijkbaar zijn met zijn
standaardmodel partner. Sterker nog, mocht de SSM theorie waar zijn, dan moeten de massa’s van
deze deeltjes boven de nu experimenteel bereikte waarde van 120 GeV liggen.
Het belangrijkste deeltje in deze theorie is die van de LSP (lowest mass super partner). Iedere
superpartner heeft een verschillende massa en aangezien ze erg instabiel zijn, zullen ze abrupt
vervallen in lagere massa
superpartners. Dit proces
gebeurt net zo vaak tot dat het
deeltje een LSP is geworden.
Aangezien de massa hiervan
het laagst mogelijk is voor een
superpartner zal dit deeltje niet
verder vervallen. Er moet hier
wel bij gezegd worden dat een
superpartner altijd vervalt naar
in ieder geval een andere
superpartner en nooit naar
alleen standaardmodeldeeltjes.
De LSP die overblijft is een van
de belangrijkste kandidaten als
het gaat om donkere materie.
Het aantal LSP’s dat nu
aanwezig in het universum is
mogelijk lager dan dat vlak na
de Big Bang. Dit komt doordat
LSP kunnen botsen met andere
deeltjes of kunnen annihileren
in quarks of leptonen. Hier
Fig #. Distributie van donkere materie om CL 0152-1357
komt het Higgsdeeltje om de
hoek kijken. De hoeveelheid LSP’s die annihileren wordt mogelijk bepaald door hun interactie met
het Higgsveld.
Het Higgsveld is ook nog op een andere manier van belang bij de donkere materie. Zoals
eerder gezegd krijgen standaardmodeldeeltjes en hun superpartners massa door interacties met
beide Higgsvelden. De superpartners daarentegen kunnen ook nog extra massa vergaren door
interacties met andere Higgsvelden. De theorie vertelt ons hoe dit allemaal gebeurd, maar hiervoor
moeten we wel eerst meer data hebben over de superpartners en die hopen we te krijgen uit de
LHC.
Conclusie
Zoals eigenlijk altijd in de fysica blijft het speculeren totdat er experimenteel is vastgesteld
dat een theorie mogelijk juist is. Dit geldt vanzelfsprekend ook voor de theorie van het Higgsveld.
Voorlopig lijkt alles nog netjes in elkaar te vallen, maar het eigenlijke wachten is op de LHC. Zodra
deze versneller draait, zullen een hoop vragen beantwoord kunnen worden. Allereerst natuurlijk of
er een Higgsdeeltje is en zo ja, wat is dan de massa van dat deeltje? Van hieruit is ook de stap naar de
supersymmetrie theorie snel gemaakt. Is ook hier een mogelijk bewijs voor te vinden?
Voorlopig is er nog niks te zeggen over het bestaan van het Higgsveld. Alles staat of valt met
de LHC, maar één ding is zeker: het beloven spannende jaren te worden en in de deeltjesfysica zal
hoe dan ook een hoop duidelijker worden. Al is het maar het feit dat alles dat men enig uitsluitsel
kan geven over het bestaan van Higgsvelden.