Na twee jaar botsingen in de LHC hebben we het nog steeds niet gevonden: het Higgsdeeltje. Waar kan het zich schuilhouden?
Op 30 oktober werden voor het laatst dit jaar protonen met elkaar in botsing gebracht in de grootste, ingewikkeldste machine die de mensheid ooit bouwde: de LHC. En nog steeds hebben we de belangrijkste bestaansreden van deze cirkelvormige deeltjesversneller niet gevonden: het Higgsboson. Dit mysterieuze deeltje is het enige nog ontbrekende stukje van het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat als functie heeft ervoor te zorgen dat de overige deeltjes een massa kunnen hebben. Hoe staat de zoektocht naar ‘het Higgs’ er eigenlijk precies voor op het moment? Wat zijn de verschillende scenario’s die nog openliggen? En wanneer weten we meer? KIJK sprak met natuurkundige Stan Bentvelsen (Nikhef/Universiteit van Amsterdam), die programmaleider is van de grootste LHC-detector, ATLAS.
Gaten schieten
Het probleem is vooral dat we niet weten hoeveel het Higgsdeeltje weegt, en dus ook niet waar we het moeten zoeken. “Toen we de LHC aanzetten, was het enige wat we wisten dat het Higgsdeeltje zwaarder zou zijn dan 114 GeV en lichter dan 1000 GeV”, zegt Bentvelsen. Daarbij hanteert hij, zoals gebruikelijk in de wereld van de deeltjesfysica, de GeV of gigaelectronvolt als eenheid van massa. Om die eenheid een beetje te kunnen plaatsen: het positief geladen proton, dat deel uitmaakt van elke atoomkern, weegt ongeveer één GeV.
Die Higgs-ondergrens van 114 GeV danken we aan de voorganger van de LHC, de Large Electron-Positron Collider, afgekort LEP. “Als het Higgsdeeltje lichter was geweest dan 114 GeV, dan had LEP hem gewoon gemaakt”, zegt Bentvelsen. Daarnaast zijn er aanwijzingen dat het deeltje waarschijnlijk minder weegt dan 200 GeV. “Er is een relatie tussen de massa’s van drie deeltjes: het W-deeltje, de topquark en het Higgsboson. Met LEP hebben we de massa’s van die eerste twee heel nauwkeurig gemeten, en dan kun je op grond daarvan iets zeggen over de massa van de derde.” Maar, zo stelt Bentvelsen, eigenlijk wil je als experimentator niet te veel afgaan op dat soort inschattingen vooraf. “De natuur kan een verrassing in petto hebben. Daar wil je voor openstaan, en dus gaat de zoektocht over het hele gebied.”
In dat hele gebied heeft de LHC tot nu toe wel al een aantal flinke gaten geschoten. Zo zijn de massa’s tussen 149 en 206 GeV uitgesloten. Dat wil zeggen: hier zit het Higgsdeeltje met 95 procent zekerheid niet. Ook tussen 295 en 405 GeV hoeven we het mysterieuze deeltje niet te verwachten. Hoe we daarachter zijn gekomen? Bentvelsen: “We kennen weliswaar de massa van het Higgsdeeltje niet, maar de theorie voorspelt wel hoe het zich bij een bepaalde massa gedraagt. Dan weet je in wat voor deeltjes het uit elkaar valt.” En naar die deeltjes, die verschillend zijn voor verschillende massa’s, ga je op zoek.
Daar zitten wel wat haken en ogen aan. Zo vervalt een licht Higgsdeeltje graag in twee bottomquarks. (Quarks zijn de bestanddelen van deeltjes als protonen en neutronen, en het bottomquark is de op één na zwaarste variant daarvan.) Maar als je in de LHC twee protonen op elkaar laat botsen, ontstaan er zóveel bottomquarks dat je de eventuele resten van een vervallend Higgsdeeltje daar niet tussen terugvindt. In plaats daarvan zoek je naar de volgende mogelijkheid: dat het Higgs vervalt tot twee fotonen. De kans op zo’n verval is weliswaar duizend keer kleiner dan de kans op een verval tot twee bottomquarks – maar áls het gebeurt, zie je het tenminste.
Ga je kijken bij hogere massa’s, dan gebeuren er andere dingen. “Het Higgsdeeltje valt het liefst in zo zwaar mogelijke deeltjes uit elkaar”, zegt Bentvelsen. “Als het bijvoorbeeld zwaarder is dan twee keer het Z-deeltje, valt het uit elkaar in twee Z-deeltjes. Zou het zwaarder zijn dan twee topquarks, dan valt het uit elkaar in twee topquarks.” En dus moet je je zoekstrategie aanpassen aan de massa’s waar je naar kijkt. Er is niet één silver bullet waarmee je het hele gebied vanaf 114 GeV in één keer kunt bestrijken.
Wiskundige truc
Afgelopen zomer leek het er even op dat het Higgs was gevonden, bij een massa rond de 140 GeV. Verdere metingen maakten dat echter minder waarschijnlijk. Maar dat betekent niet dat we deze mogelijke Higgsmassa de rug toe moeten keren, zegt Bentvelsen. “Het kan zijn dat het Higgsdeeltje zich toevallig een paar keer goed liet zien en daarna minder goed. Maar het kan ook zo zijn dat het er helemaal niet zit.”
Op dit punt verwacht de natuurkundige wel snel duidelijkheid. Begin volgend jaar zouden we op basis van de data die de LHC tot nu toe heeft verzameld moeten weten of het Higgs wel of niet een massa heeft rond de 140 GeV. Sterker nog, Bentvelsen denkt dat tegen die tijd het hele stuk tussen 114 en 149 GeV zal zijn uitgekamd. (Al voegt hij daar later per mail aan toe dat het “misschien toch langer gaat duren”.)
Mocht het Higgs niet in het genoemde gebied zitten, en mocht later blijken dat het deeltje ook niet bij hogere massa’s te vinden is, dan betekent dat niet dat de LHC ons verder niets interessants kan vertellen over de kwestie. “Je moet je voorstellen: het Higgsdeeltje is niet voor niets uitgevonden”, zegt Bentvelsen. “Het is een soort wiskunde truc om de rekenregels van het standaardmodel goed te krijgen. Als het Higgsdeeltje er niet is, gaan die rekenregels fout, en wel op zo’n manier dat je dat zou moeten zien aan botsingen tussen W-deeltjes.” Dat soort botsingen worden dus razend interessant als we het Higgsdeeltje niet vinden; die kunnen we dan gebruiken om te kiezen tussen de verschillende alternatieve scenario’s die zijn voorgesteld.
Helaas zijn botsingen tussen W-deeltjes zo zeldzaam, dat de LHC op het moment nog niet genoeg energie heeft om ze te kunnen vinden. Daarvoor heeft de machine een upgrade nodig om hem krachtiger te maken en meer botsingen te veroorzaken – en dan zitten we toch al gauw in het jaar 2020.
We’ve got him?
Mocht de zoektocht naar het Higgs binnenkort wel succes opleveren, dan zijn we ook niet gelijk klaar, legt Bentvelsen uit. “We vinden geen deeltje waar opgeplakt staat ‘ik ben een Higgsdeeltje’. We vinden een piekje en we denken ‘dat zou het Higgs kunnen zijn’. Maar het kan ook nog een gek ander deeltje zijn. En dus zul je de eigenschappen van zo’n deeltje moeten nagaan.”
Het Higgsdeeltje zou bijvoorbeeld, als het voldoende energie heeft, uiteen moeten vallen in twee Higgsdeeltjes. En naar dat verval moeten we op zoek als we het Higgs gevonden denken te hebben, om met zekerheid te kunnen zeggen: ‘We’ve got him’.
Kortom, de zoektocht naar het Higgsdeeltje is hoe dan ook niet binnenkort afgelopen. Als het deeltje niet blijkt te zitten in het gebied van 114 tot 146 GeV, dan zijn er nog andere massagebieden te verkennen, zij het dat die wat minder makkelijk te rijmen zijn met eerdere resultaten. Is het er helemaal niet, dan zullen we botsingen tussen W-deeltjes moeten bestuderen om te zien wat er dan wél gaande is. En vinden we wél een Higgskandidaat, dan moet er nog aardig wat gedaan worden om zeker te weten dat het gaat om het deeltje waar we al zo lang naar op zoek zijn. “Scenario’s met én zonder Higgs zijn allebei op de langere termijn interessant”, zegt Bentvelsen dan ook.
Beeld: CERN