In eenvoudige bewoordingen is het Higgs-deeltje het duurste deeltje aller tijden. Als bijvoorbeeld een vacuümbuis en een paar briljante geesten voldoende waren om het elektron te ontdekken, vereiste de zoektocht naar het Higgs-deeltje de creatie van experimentele energie, die zelden op aarde wordt gevonden. De Large Hadron Collider behoeft geen introductie, omdat het een van de beroemdste en meest succesvolle wetenschappelijke experimenten is, maar zijn profieldeeltje is, net als voorheen, voor het grootste deel van de bevolking in nevelen gehuld. Het wordt wel een Goddeeltje genoemd, maar dankzij de inspanningen van letterlijk duizenden wetenschappers hoeven we het bestaan ervan niet langer op grond van geloof te accepteren.
Laatst onbekend
Wat is het Higgs-deeltje en wat is het belang van de ontdekking ervan? Waarom is het het onderwerp geworden van zoveel hype, financiering en verkeerde informatie? Om twee redenen. Ten eerste was het het laatste onontdekte deeltje dat nodig was om het standaardmodel van de fysica te bevestigen. Haar ontdekking betekende dat een hele generatie wetenschappelijke publicaties niet voor niets waren geweest. Ten tweede geeft dit boson andere deeltjes hun massa, wat het een speciale betekenis en wat "magie" geeft. We hebben de neiging om na te denken overmassa als een intrinsieke eigenschap van dingen, maar natuurkundigen denken daar anders over. In eenvoudige bewoordingen is het Higgs-deeltje een deeltje zonder welk massa in principe niet bestaat.
Nog een veld
De reden ligt in het zogenaamde Higgs-veld. Het werd zelfs vóór het Higgs-deeltje beschreven, omdat natuurkundigen het berekenden voor de behoeften van hun eigen theorieën en waarnemingen, waarvoor de aanwezigheid van een nieuw veld nodig was, waarvan de werking zich zou uitstrekken tot het hele universum. Het versterken van hypothesen door nieuwe componenten van het universum uit te vinden is gevaarlijk. In het verleden leidde dit bijvoorbeeld tot het ontstaan van de ethertheorie. Maar hoe meer wiskundige berekeningen er werden gemaakt, hoe meer natuurkundigen begrepen dat het Higgs-veld in werkelijkheid moet bestaan. Het enige probleem was het gebrek aan praktische middelen om hem te observeren.
In het standaardmodel van de fysica winnen elementaire deeltjes aan massa via een mechanisme dat gebaseerd is op het bestaan van het Higgs-veld dat de hele ruimte doordringt. Het creëert Higgs-bosonen, die veel energie vereisen, en dit is de belangrijkste reden waarom wetenschappers moderne deeltjesversnellers nodig hebben om experimenten met hoge energie uit te voeren.
Waar komt massa vandaan?
De sterkte van zwakke nucleaire interacties neemt snel af met toenemende afstand. Volgens de kwantumveldentheorie betekent dit dat de deeltjes die betrokken zijn bij het ontstaan ervan - W- en Z-bosonen - massa moeten hebben, in tegenstelling tot gluonen en fotonen, die geen massa hebben.
Het probleem is dat ijktheorieën zich alleen bezighouden met massaloze elementen. Als de ijkbosonen massa hebben, kan een dergelijke hypothese redelijkerwijs niet worden gedefinieerd. Het Higgs-mechanisme vermijdt dit probleem door een nieuw veld te introduceren, het Higgs-veld. Bij hoge energieën hebben ijkbosonen geen massa, en de hypothese werkt zoals verwacht. Bij lage energieën veroorzaakt het veld een symmetriebreking waardoor elementen massa kunnen hebben.
Wat is het Higgs-deeltje?
Het Higgs-veld produceert deeltjes die Higgs-bosonen worden genoemd. Hun massa wordt niet door de theorie gespecificeerd, maar als resultaat van het experiment werd vastgesteld dat deze gelijk is aan 125 GeV. In eenvoudige bewoordingen heeft het Higgs-deeltje het standaardmodel definitief bevestigd met zijn bestaan.
Mechanisme, veld en boson dragen de naam van de Schotse wetenschapper Peter Higgs. Hoewel hij niet de eerste was die deze concepten voorstelde, was hij, zoals vaak het geval is in de natuurkunde, gewoon degene naar wie ze zijn vernoemd.
Gebroken symmetrie
Het Higgs-veld werd verantwoordelijk geacht voor het feit dat deeltjes die geen massa zouden mogen hebben, dat wel deden. Dit is een universeel medium dat massaloze deeltjes verschillende massa's geeft. Een dergelijke schending van de symmetrie wordt verklaard door analogie met licht - alle golflengten bewegen in vacuüm met dezelfde snelheid, terwijl in een prisma elke golflengte kan worden onderscheiden. Dit is natuurlijk een onjuiste analogie, aangezien wit licht alle golflengten bevat, maar het voorbeeld laat zien hoede creatie van massa door het Higgs-veld lijkt te wijten te zijn aan het breken van de symmetrie. Een prisma verbreekt de symmetrie van de snelheid van verschillende golflengten van licht door ze te scheiden, en men denkt dat het Higgs-veld de symmetrie verbreekt van de massa's van sommige deeltjes die anders symmetrisch massaloos zijn.
Hoe het Higgs-deeltje in eenvoudige bewoordingen uit te leggen? Pas onlangs hebben natuurkundigen zich gerealiseerd dat als het Higgs-veld echt bestaat, de werking ervan de aanwezigheid vereist van een geschikte drager met eigenschappen waardoor het kan worden waargenomen. Aangenomen werd dat dit deeltje tot bosonen behoorde. In eenvoudige bewoordingen is het Higgs-deeltje de zogenaamde dragerkracht, hetzelfde als fotonen, die dragers zijn van het elektromagnetische veld van het heelal. Fotonen zijn in zekere zin de lokale excitaties, net zoals het Higgs-deeltje een lokale excitatie van zijn veld is. Het bestaan van een deeltje bewijzen met de eigenschappen die fysici verwachten, kwam in feite neer op het rechtstreeks bewijzen van het bestaan van een veld.
Experiment
Vele jaren van planning hebben ervoor gezorgd dat de Large Hadron Collider (LHC) een bewijs is geworden van een mogelijke weerlegging van de theorie van het Higgs-boson. Een 27 km lange ring van superkrachtige elektromagneten kan geladen deeltjes versnellen tot aanzienlijke fracties van de lichtsnelheid, waardoor botsingen ontstaan die sterk genoeg zijn om ze in hun componenten te scheiden, en om de ruimte rond het inslagpunt te vervormen. Volgens berekeningen is het mogelijk om bij een botsingsenergie van een voldoende hoog niveau een boson op te laden zodat het verv alt, en dit kan wordenzal kijken. Deze energie was zo groot dat sommigen zelfs in paniek raakten en het einde van de wereld voorspelden, en de fantasie van anderen ging zo ver dat de ontdekking van het Higgs-deeltje werd beschreven als een kans om in een alternatieve dimensie te kijken.
Definitieve bevestiging
De eerste waarnemingen leken de voorspellingen te weerleggen en er kon geen teken van het deeltje worden gevonden. Sommige onderzoekers die betrokken waren bij de campagne om miljarden dollars uit te geven, verschenen zelfs op televisie en verklaarden gedwee dat het weerleggen van een wetenschappelijke theorie net zo belangrijk is als het bevestigen ervan. Na enige tijd begonnen de metingen echter op te tellen en op 14 maart 2013 maakte CERN officieel de bevestiging van het bestaan van het deeltje bekend. Er zijn aanwijzingen voor het bestaan van meerdere bosonen, maar dit idee moet nader worden bestudeerd.
Twee jaar nadat CERN de ontdekking van het deeltje aankondigde, konden wetenschappers van de Large Hadron Collider het bevestigen. Aan de ene kant was dit een enorme overwinning voor de wetenschap, aan de andere kant waren veel wetenschappers teleurgesteld. Als iemand had gehoopt dat het Higgs-deeltje het deeltje zou zijn dat zou leiden tot vreemde en prachtige gebieden buiten het standaardmodel - supersymmetrie, donkere materie, donkere energie - dan bleek dit helaas niet het geval te zijn.
Een studie gepubliceerd in Nature Physics heeft het verval in fermionen bevestigd. Het standaardmodel voorspelt dat, in eenvoudige bewoordingen, het bosonHet Higgs is het deeltje dat fermionen hun massa geeft. De detector van de CMS-versneller bevestigde uiteindelijk hun verval in fermionen - down-quarks en tau-leptonen.
Higgsdeeltje in eenvoudige bewoordingen: wat is het?
Deze studie heeft eindelijk bevestigd dat dit het Higgs-deeltje is, voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica. Het bevindt zich in het massa-energiegebied van 125 GeV, heeft geen spin en kan vervallen in veel lichtere elementen - paren fotonen, fermionen, enz. Hierdoor kunnen we vol vertrouwen zeggen dat het Higgs-deeltje, in eenvoudige bewoordingen, is een deeltje dat aan alles massa geeft.
Teleurgesteld met het standaardgedrag van een nieuw geopend element. Als het verval zelfs maar iets anders zou zijn, zou het anders gerelateerd zijn aan fermionen en zouden er nieuwe wegen voor onderzoek ontstaan. Aan de andere kant betekent dit dat we geen stap verder zijn gegaan dan het standaardmodel, dat geen rekening houdt met zwaartekracht, donkere energie, donkere materie en andere bizarre verschijnselen van de werkelijkheid.
Nu kan je alleen maar raden wat de oorzaak was. De meest populaire theorie is supersymmetrie, die stelt dat elk deeltje in het standaardmodel een ongelooflijk zware superpartner heeft (dus 23% van het universum - donkere materie). Het upgraden van de versneller, waarbij de botsingsenergie wordt verdubbeld tot 13 TeV, zal het waarschijnlijk mogelijk maken om deze superdeeltjes te detecteren. Anders zal supersymmetrie moeten wachten op de bouw van een krachtigere opvolger van de LHC.
Verdere vooruitzichten
Dus hoe zal de natuurkunde zijn na het Higgs-deeltje? De LHC heeft onlangs zijn werk hervat met aanzienlijke verbeteringen en kan alles zien, van antimaterie tot donkere energie. Er wordt aangenomen dat donkere materie alleen interageert met gewone materie door zwaartekracht en door het creëren van massa, en de betekenis van het Higgs-deeltje is de sleutel om te begrijpen hoe dit precies gebeurt. Het belangrijkste nadeel van het standaardmodel is dat het de effecten van zwaartekracht niet kan verklaren - zo'n model zou de Grand Unified Theory kunnen worden genoemd - en sommigen geloven dat het deeltje en het Higgs-veld de brug zouden kunnen zijn waar natuurkundigen zo wanhopig naar op zoek zijn.
Het bestaan van het Higgs-deeltje is bevestigd, maar het volledige begrip ervan is nog ver weg. Zullen toekomstige experimenten supersymmetrie en het idee van de ontbinding ervan in donkere materie zelf weerleggen? Of zullen ze elk laatste detail van de voorspellingen van het standaardmodel over de eigenschappen van het Higgs-deeltje bevestigen en dit onderzoeksgebied voor altijd beëindigen?
