Higgsdeeltje gevonden - en toen?

[Professor Puntje]

Het meten van het higgsdeeltje was groot nieuws! Maar als gewone stervelingen hoorden we er daarna al snel niets meer over. Waardoor ik mij afvraag hoe belangrijk dat nieuws eigenlijk was. Heeft die meting de natuurkunde vooruit gebracht, is men daardoor tot nieuwe inzichten gekomen? 
 
Van deeltjesfysica weet ik maar heel weinig. Dus mogelijk is mijn indruk misplaatst. Daarom laat ik mij graag voorlichten hoe het nu staat met het higgsdeeltje en de consequenties van die meting.

[Bladerunner]

Voor "jan met de pet" maakt het helemaal niets uit dat het gevonden is.
Er is in tegenstelling tot b.v. het elektron (denk aan de elektronenmicroscoop) ook helemaal geen commerciële toepassing voor.
 
Maar het verklaard nu wel bepaalde eigenschappen van andere deeltjes. Sommige elementaire deeltjes (zoals quarks) zouden namelijk massaloos moeten zijn. In plaats daarvan zijn de zwaarste quarks haast 200 maal zwaarder dan het proton (Dat is haast net zo zwaar als het goud atoom!). Het bestaan van het Higgs deeltje kon dat verklaren omdat de quarks dan hun 'massa' zouden verkrijgen door sterke interactie met het Higgsveld waarvoor het Higgs deeltje dus verantwoordelijk voor is.
Deze interactie met het overal aanwezige Higgsveld kun je beschouwen als je eigen proberen te verplaatsen door een stroperige vloeistof. Het kost jou energie (en dus een massa equivalent volgens E=Mc²) en dat geldt ook voor het in principe massaloze elementaire deeltje. Het verkrijgt op die manier massa uit die interactie.
 
Zou het Higgs deeltje niet bestaan dan kunnen we dus niet verklaren waarom o.a. een quark dat gezien zijn verdere eigenschappen een massaloos elementair deeltje zou moeten zijn zo zwaar is. Dit was een van de laatste vraagstukken voor het compleet maken van het standaardmodel.

[Professor Puntje]

Deze interactie met het overal aanwezige Higgsveld kun je beschouwen als je eigen proberen te verplaatsen door een stroperige vloeistof. Het kost jou energie (en dus een massa equivalent volgens E=Mc²) en dat geldt ook voor het in principe massaloze elementaire deeltje. Het verkrijgt op die manier massa uit die interactie.

 
Als er overal een equivalent van een "stroperige vloeistof" aanwezig zou zijn die massa verklaart dan zou je daarmee lokaal ook een absoluut referentiestelsel hebben waarin die vloeistof in rust is. Maar dat is in strijd met de relativiteitstheorie. Het verhaal zal dus waarschijnlijk wel iets ingewikkelder zijn.

[Bladerunner]

Uiteraard is het een stuk ingewikkelder. Hier een FAQ over dit onderwerp. Het is een vrij lang artikel maar kennelijk wel bedoeld voor de leek.
 
Hou er b.v. rekening mee dat hoewel het logisch lijkt het Higgs deeltje niet verantwoordelijk is voor zwaartekracht veroorzaakt door de massa van materie zoals een planeet maar slechts voor de massa van anders massaloze elementaire deeltjes. Op macro niveau doet het Higgsveld dus niets.

[Professor Puntje]

Het ziet eruit als een verwarrende geschiedenis. Kennelijk is er geen sprake van het higgsdeeltje, maar zijn er meerdere higgsdeeltjes mogelijk. Bovendien is het nog onzeker of er wel een higgsdeeltje gevonden is, en zou het gevonden deeltje ook nog een ander deeltje kunnen zijn. Tenslotte lijkt het belang van het higgsdeeltje door de media nogal te zijn opgeklopt om maar een spannend verhaal te kunnen vertellen. Waarbij ook sommige wetenschappers die hun onderzoek graag als productief en revolutionair willen voorstellen een duit in het zakje gedaan hebben.

[Olof Bosma]

Als Higgsdeeltjes verantwoordelijk zijn voor de massa van andere elementaire deeltjes zullen Higgsdeeltjes overal aanwezig moeten zijn.
Wat ik nu niet begrijp is hoe je dan toch die deeltjes met een versneller kunt creëren en weer detecteren en zo de massa bepalen. Dat is net zoiets als onder water watermoleculen creëren en die dan tussen al die andere moleculen weer detecteren.

[Bladerunner]

Men weet vrijwel zeker dat het Higgs deeltje gevonden is. Het kreeg een 5-Sigma classificatie. (Het artikel waar ik naar linkte is op dat punt achterhaald) Dat betekend dat er een kans van slechts 1 op de 3,5 miljoen is dat het signaal in de LHC vals was. Uit verschillende experimenten kwam naar voren dat de massa/energie tussen bepaalde grenzen moest liggen en toen men een deeltje ontdekte dat daar aan voldeed ging men het onderzoek verfijnen en kwam men tot dit resultaat.
 
Uiteraard grijpen de wetenschappers naar de microfoon als ze 100% zekerheid hebben en zeker als het een zoektocht van haast 50 jaar betreft. Dat kun je hun nauwelijks kwalijk nemen. Maar de media klopte het inderdaad op want wetenschappers zelf noemen het niet het "God deeltje" zoals de media doet.
 
Men creëerde natuurlijk het deeltje niet in de LHC, wat men deed was extreme botsingen veroorzaken en kijken of er een deeltje gedetecteerd werd dat de voorspelde massa had. M.a.w: de massa hoefde niet bepaald te worden omdat men wist hoe zwaar het ongeveer moest zijn. Zodra men dus een deeltje binnen de voorspelde massa grenzen had gevonden kon men de criteria versmallen en het zoeken gerichter maken.

[Michel Uphoff]

Als Higgsdeeltjes verantwoordelijk zijn voor de massa van andere elementaire deeltjes

 

Ja, en als je vervolgens de vraag stelt hoe het Higgs zelf aan zijn massa komt dan wordt het vrij stil, daar is men kennelijk nog lang niet uit:

 

Toen ik dit aan Stan Bentvelsen vroeg, kreeg ik een recht voor zijn raap antwoord: "We hebben nog geen flauw idee!"

Gevraagd aan Gerard 't Hooft, begon hij met een lange volzin die hij halverwege onderbrak met "U dient zich te realiseren dat u van mij, als ik het echt niet weet, een lang antwoord tegemoet mag zien" waarna hij soepeltjes in de rest van de volzin terugkeerde.

 

Er lijkt na de ontdekking van een higgs-achtig deeltje vijf jaar geleden niets bijzonders meer te gebeuren. Cern meldt sedertdien geen belangrijke ontdekkingen meer, en ook hier lijkt vooralsnog te gelden; hoe harder er gezocht wordt hoe minder men vindt. Even was er, kort na de ontdekking van dat Higgsachtige deeltje, weer opwinding toen er zich een nieuwe bult in de grafieken leek te gaan ontwikkelen, maar helaas verdween die al snel in de ruis van de toegenomen data.

 

Sedertdien is het nu al weer vijf jaar opvallend stil.

 

Het standaardmodel is met de ontdekking van de Higgs compleet. Maar het huidige standaardmodel kan niet het complete antwoord zijn. Een uitgebreider model waarin ook gravitatie een plaats krijgt, waarin een verklaring voor de afwezigheid van enorme hoeveelheden antimaterie gegeven wordt, een hint voor het bestaan van supersymmetrie, een verklaring voor donkere materie (zoals steriele neutrino's, WIMPs), met nieuwe fyscica.. Het lijkt allemaal verder weg dan een decade geleden.

 

Falkowski: Is our century-long exploration of the high-energy frontiers coming to an end?

...

The possibility that the LHC will only further confirm the Standard Model is often referred to as the nightmare scenario.

 

Een artikel in de NY Times over deze stilte: klik

En een artikel van de deeltjesfysicus Falkowski hierover: klik

[Olof Bosma]

Ik begrijp dat er een deeltje is gevonden dat (ongeveer?) de verwachte massa van het Higgs deeltje had, maar de kern van wat ik mij afvraag is hoe je nu een door een botsing nieuw gevormd deeltje kunt identificeren als de ruimte al vergeven is van dezelfde deeltjes.
Gevoelsmatig zie ik ook een overeenkomst met het zoeken naar de ether ruim 100 jaar geleden. Toen zocht men ook een oplossing om de gaatjes in een theorie te dichten. Uiteindelijk bleek de oplossing voor die gaatjes ook geheel anders te liggen.

[Bladerunner]

"als de ruimte al vergeven is van dezelfde deeltjes."
 
Feitelijk vraag je dus hoe men in de chaos van deeltjes een bepaald deeltje weet te vinden. In de beginjaren van dergelijke onderzoeken gebruikte men daarvoor de z.g.n. nevelkamer van Wilson. Daarbij botsten deeltjes met andere deeltjes in een super verzadigd gas of damp. Daarbij worden dan geïoniseerde sporen en patronen zichtbaar en deze sporen hebben afhankelijk van het deeltje een specifieke vorm en karakter.
De LHC kun je beschouwen als een verdere doorontwikkeling van deze methode want ook daar gaat het om patronen van sporen die ontstaan na een botsing. Omdat de vrijgekomen deeltjes een bepaalde lading,energie en spin hebben die specifiek is voor dat deeltje verraad het zichzelf dus. Het is eigenlijk een soort vingerafdruk.
Als men nu om het standaardmodel sluitend te maken stelt dat een nog niet gevonden deeltje bepaalde eigenschappen behoort te hebben dan hoort daar dus ook een bepaald sporenpatroon bij als dat deeltje ineens verschijnt tussen al die andere deeltjes.

[Michel Uphoff]

hoe je nu een door een botsing nieuw gevormd deeltje kunt identificeren

 

Het Higgs boson zelf direct waarnemen is zo goed als onmogelijk. Het deeltje is dermate instabiel dat de gemiddelde levensduur ongeveer 10^-22 seconde is. Aangezien het een massa heeft, zal het niet aan de lichtsnelheid kunnen reizen, en ligt de afgelegde afstand tot verval in de orde van de diameter van een proton. M.a.w. het is allang verdwenen voordat het de detectoren van Atlas of CMS te Cern kan bereiken.

 

Dus wordt het bestaan van het boson afgeleid uit de eigenschappen van de vervalpatronen en -producten van het deeltje. Hoe een zeldzaam Higgs boson vervalt wordt met het standaardmodel in detail voorspeld.
 
Uit het onderzoek van de Atlas en CMS data konden de volgende bepalende eigenschappen worden afgeleid:

 

- zero spin (verval van twee fotonen liet alleen spin-0 en spin 2 als mogelijkheid over, terwijl nader onderzoek met 99,9% zekerheid ook spin 2 uitsloot).

- even parity (dmv de hoeken waaronder vervalproducten van elkaar wegvlogen)

- de gevonden vervalkanalen zijn ondermeer twee fotonen, twee W bosonen, twee Z bosonen, twee tau leptonen.
 
Deze eigenschappen en de procentuele verhouding van de vervalkanalen bleken allemaal in overeenstemming met de theoretische voorspellingen voortvloeiend uit het standaardmodel.

 

Latere analyses van het vervalpatroon van het boson met de inmiddels hogere energieniveaus van de LHC blijken tot een half jaar terug consistent met de eerste ontdekking te zijn, en de match van de empirische data met het de theoretische voorspellingen van het standaardmodel is verder toegenomen.

 

Het ontdekken zelf is een kwestie van het analyseren van big data. In de chaos van deeltjes die ontstaat eerst die events wegfilteren die al bekend zijn. Dat gebeurt in real time in de 'eerste trap' van het gigantische computersysteem door een grote farm van gespecialiseerde computers te Cern zelf. Veruit de meeste meetgegevens worden direct weer weggekieperd omdat ze reeds bekende processen beschrijven.
 
Hierop volgt een uitputtende analyse van het interessante overschot door, ik denk ook nu nog, het grootste gekoppelde dataverwerkingssysteem ter wereld. Jaren van voorgaand onderzoek sloot al een aantal zoekgebieden uit en beperkte de zoektocht naar slechts een paar energiegebieden waarin het Higgs deeltje zich nog kon ophouden.
 
Desalniettemin is in totaal de nasleep van 3.10¹⁴ proton-proton botsingen geanalyseerd en uit de resultaten kwam uiteindelijk de bekende 125 GeV piek met sigma 5.

 

Meer over Cern in dit artikel.

[flappelap]

 

Ja, en als je vervolgens de vraag stelt hoe het Higgs zelf aan zijn massa komt dan wordt het vrij stil, daar is men kennelijk nog lang niet uit:

 

Toen ik dit aan Stan Bentvelsen vroeg, kreeg ik een recht voor zijn raap antwoord: "We hebben nog geen flauw idee!"

Gevraagd aan Gerard 't Hooft, begon hij met een lange volzin die hij halverwege onderbrak met "U dient zich te realiseren dat u van mij, als ik het echt niet weet, een lang antwoord tegemoet mag zien" waarna hij soepeltjes in de rest van de volzin terugkeerde. 

 
Dit kan ik niet plaatsen.
 
Nee, het Higgsdeeltje is niet verantwoordelijk voor de massa van deeltjes. Dat is het HiggsVELD. Een belangrijk verschil!
 
Wat het Higgsmechanisme doet, is dat de kwantumvelden van massieve deeltjes componenten van het Higgsveld "opeten". Dit zijn de zogenaamde longitudinale componenten. Uiteindelijk blijven er in het standaarmodel, wanneer je 1 Higgsveld invoert, na dit "opeten", vrijheidsgraden over in dit Higgsveld. Die zullen zich in de kwantumtheorie manifesteren als Higgsdeeltjes.
 
De massa van het Higgsdeeltje zelf kunnen we prima verklaren, en ik kan niet geloven dat 't Hooft of Bentvelsen dit niet weten: het Higgsveld ondergaat een zelfinteractie. Dat is niet bepaald uniek; het zwaartekrachtsveld doet dit bijvoorbeeld ook. Door deze zelfinteractie zal het Higgsdeeltje dus ook met het onderliggende kwantumveld wisselwerken, wat voor een massaterm zorgt.

[flappelap]

Het ziet eruit als een verwarrende geschiedenis. Kennelijk is er geen sprake van het higgsdeeltje, maar zijn er meerdere higgsdeeltjes mogelijk. Bovendien is het nog onzeker of er wel een higgsdeeltje gevonden is, en zou het gevonden deeltje ook nog een ander deeltje kunnen zijn. Tenslotte lijkt het belang van het higgsdeeltje door de media nogal te zijn opgeklopt om maar een spannend verhaal te kunnen vertellen. Waarbij ook sommige wetenschappers die hun onderzoek graag als productief en revolutionair willen voorstellen een duit in het zakje gedaan hebben.

 
Ja, er zijn meerdere Higgsdeeltjes mogelijk, als je meerdere Higgsvelden introduceert. Dit doe je bijvoorbeeld in supersymmetrische extensies van het standaardmodel. Er is geen onzekerheid of het deeltje gevonden is; we spreken van een ontdekking omdat het een zgn. 5-sigma resultaat is.
 
Het belang van het Higgsdeeltje is tweevoudig. Allereerst weten we dat in bepaalde verstrooiïngsprocessen een scalair deeltje nodig is om de zaak unitair te houden (de totale kans mag niet groter worden dan 1). Ten tweede kunnen we zonder Higgsmechanisme de ijksymmetrieën van het standaardmodel niet combineren met de symmetrieën van de speciale relativiteitstheorie. De technische reden is dat de zwakke wisselwerking pariteit schendt, en dat de bijbehorende ijksymmetrie links- en rechtshandige kwantumvelden verschillend behandelt (ze zitten in verschillende representaties van de ijkgroep SU(2) ). Een massaterm in je theorie koppelt echter links en rechtshandige kwantumvelden om Lorentzinvariant te zijn. Zo'n massaterm kan dus niet ijkinvariant zijn. Voor de ijkvelden zelf zijn massatermen ook problematisch, omdat deze direct je ijksymmetrie schenden.
 
Als je dus zowel ijksymmetrie als Lorentzinvariantie wilt behouden, zul je dus iets anders moeten verzinnen om massa te introduceren. Dit doen we met spontane symmetriebreking, een mechanisme dat we ook gebruiken om supergeleiding te beschrijven.
 
Eigenlijk twijfelde bijna niemand aan het bestaan van het Higgsdeeltje, om bovengenoemde reden. En we leren in het algemeen meer als we iets triviaal verwachten wat niet uitkomt. Maar het belang is natuurlijk enorm: het is in zekere zin de voltooiïng van het standaardmodel zoals we dat nu kennen, de meest nauwkeurige wetenschappelijke theorie die ooit is opgeschreven.

[flappelap]

"als de ruimte al vergeven is van dezelfde deeltjes."
 

Dat is dus niet zo; de ruimte is "vergeven" van het HiggsVELD, net zoals het "vergeven" is van alle andere kwantumvelden. Alleen als we genoeg energie in dat veld pompen door middel van energierijke botsingen, zal dit kwantumveld worden aangeslagen en manifesteert dit zich in (uiterst instabiele) Higgsdeeltjes.
 
Die Higgsdeeltjes kunnen we trouwens niet alleen indirect observeren via zijn vervalproducten. Als je andere interacties doorrekent, dan manifesteert het Higgsdeeltje zich ook "virtueel". Als je bijvoorbeeld doorrekent hoe massieve deeltjes zoals W, Z of bottomquarks al "vrij" door het vacuüm bewegen, dan zullen in de lusdiagrammen ook virtuele Higgsdeeltjes zitten. Dus ook aan de hand van die processen kunnen we een massa afleiden.

[flappelap]

Het meten van het higgsdeeltje was groot nieuws! Maar als gewone stervelingen hoorden we er daarna al snel niets meer over. Waardoor ik mij afvraag hoe belangrijk dat nieuws eigenlijk was. Heeft die meting de natuurkunde vooruit gebracht, is men daardoor tot nieuwe inzichten gekomen? 
 
Van deeltjesfysica weet ik maar heel weinig. Dus mogelijk is mijn indruk misplaatst. Daarom laat ik mij graag voorlichten hoe het nu staat met het higgsdeeltje en de consequenties van die meting.

En om nog antwoord te geven op deze vraag:
 
Het Higgsmechanisme bevat een eigenschap die deeltjesfysici decennialang heel problematisch vonden, en veel fysici nu nog steeds. Dat heeft alles te maken met de spin van het deeltje, namelijk 0.
 
Dat probleem gaat onder de noemer "natuurlijkheid". Wat is er aan de hand: parameters van deeltjes, zoals elektrische lading en massa, worden "gerenormaliseerd". Dat is een nogal technisch aspect van het standaardmodel, maar je zou kunnen zeggen dat vanwege het superpositiebeginsel in de kwantumveldentheorie deeltjes wisselwerken met het kwantumvacuüm waardoor hun effectieve massa en lading verschuift door zogenaamde "kwantumfluctuaties".
 
Als je nu deze renormalisatie van de massa doorrekent, dan blijkt voor spin-0 deeltjes iets geks aan de hand te zijn. De kwantumfluctuaties dragen in je berekening namelijk belachelijk veel bij aan de massa. In je berekening vallen enorme getallen tegen elkaar weg om uiteindelijk in een betrekkelijk lage massa van 125 GeV te resulteren. De technische naam hiervoor is dat de Higgsmassa "onnatuurlijk" is.
 
Nou kun je dit "probleem", als dat het is, op verschillende manieren oplossen, en eentje daarvan is supersymmetrie. De onnatuurlijkheid van de Higgsmassa was decennialang een belangrijke motivatie om supersymmetrie te verwachten rond de 1 TeV schaal. Maar dat vinden we niet. We vinden alleen maar meer bevestiging van het standaardmodel, zonder nieuws. Het lijkt er dus op dat we onze leidraad omtrent natuurlijkheid moeten bijstellen, iets dat bijvoorbeeld Sabine Hossenfelder al jarenlang roept op haar blog.
 
Het lijkt er steeds meer op dat al die nieuwe fysica, die werd verwacht op basis van "onnatuurlijkheid", niet wordt gevonden met de LHC, terwijl ze door die natuurlijkheid wel is voorspeld. Voor fysici is dat een kleine nachtmerrie, want je kunt niet miljarden lospeuteren van politici met de boodschap "misschien vinden we wel alleen maar meer van hetzelfde". Dus dat is zo'n beetje de nasleep van de Higgsontdekking.