We kennen en houden allemaal van het Higgs-deeltje - dat tot grote ergernis van natuurkundigen in de media ten onrechte is bestempeld als het "God-deeltje" - een subatomair deeltje dat voor het eerst werd opgemerkt in de Large Hadron Collider (LHC) in 2012. Dat deeltje is een stuk van een veld dat de hele ruimte-tijd doordringt; het werkt samen met veel deeltjes, zoals elektronen en quarks, waardoor die deeltjes massa krijgen, wat best cool is.
Maar de Higgs die we zagen was verrassend licht van gewicht. Volgens onze beste schattingen had het veel zwaarder moeten zijn. Dit opent een interessante vraag: zeker, we zagen een Higgs-deeltje, maar was dat het enige Higgs-deeltje? Drijven er meer rond die hun eigen dingen doen?
Hoewel we nog geen bewijs hebben van een zwaardere Higgs, onderzoekt een team van onderzoekers van de LHC, 's werelds grootste atoomvernietiger, die vraag terwijl we spreken. En er wordt gezegd dat als protonen in de ringvormige botsing tegen elkaar worden geslagen, er flinke Higgs- en zelfs Higgs-deeltjes uit verschillende soorten Higgs uit hun schuilplaats kunnen komen.
Als de zware Higgs inderdaad bestaat, moeten we ons begrip van het standaardmodel van de deeltjesfysica opnieuw configureren met het nieuwe besef dat de Higgs veel meer is dan op het eerste gezicht lijkt. En binnen die complexe interacties, kan er een aanwijzing zijn voor alles, van de massa van het spookachtige neutrino-deeltje tot het uiteindelijke lot van het universum.
Alles over het boson
Zonder het Higgs-deeltje stort vrijwel het hele standaardmodel in. Maar om over het Higgs-deeltje te praten, moeten we eerst begrijpen hoe het standaardmodel het universum ziet.
In onze beste opvatting van de subatomaire wereld met behulp van het standaardmodel, zijn wat we als deeltjes beschouwen eigenlijk niet erg belangrijk. In plaats daarvan zijn er velden. Deze velden dringen door en nemen alle ruimte en tijd in beslag. Er is één veld voor elk soort deeltje. Er is dus een veld voor elektronen, een veld voor fotonen, enzovoort, enzovoort. Wat je als deeltjes beschouwt, zijn echt lokale kleine trillingen in hun specifieke velden. En wanneer deeltjes interageren (door bijvoorbeeld van elkaar af te stuiteren), zijn het echt de trillingen in de velden die een zeer gecompliceerde dans doen.
Het Higgs-deeltje heeft een speciaal soort veld. Net als de andere velden, doordringt het alle ruimte en tijd, en het kan ook praten en spelen met de velden van alle anderen.
Maar het veld van Higgs heeft twee zeer belangrijke taken die door geen enkel ander veld kunnen worden bereikt.
Zijn eerste taak is om te praten met de W- en Z-bosonen (via hun respectievelijke velden), de dragers van de zwakke kernkracht. Door met deze andere bosonen te praten, kunnen de Higgs ze massa geven en ervoor zorgen dat ze gescheiden blijven van de fotonen, de dragers van elektromagnetische kracht. Zonder interferentie van het Higgs-deeltje zouden al deze dragers samengevoegd worden en zouden deze twee krachten samenvloeien.
De andere taak van het Higgs-deeltje is praten met andere deeltjes, zoals elektronen; door deze gesprekken geeft het hen ook massa. Dit komt allemaal goed uit, omdat we geen andere manier hebben om de massa van deze deeltjes te verklaren.
Licht en zwaar
Dit werd allemaal uitgewerkt in de jaren zestig door een reeks gecompliceerde maar zeker elegante wiskunde, maar er is slechts een klein probleempje met de theorie: er is geen echte manier om de exacte massa van het Higgs-deeltje te voorspellen. Met andere woorden, als je op zoek gaat naar het deeltje (dat is de kleine lokale trilling van het veel grotere veld) in een deeltjesbotser, weet je niet precies wat en waar je het gaat vinden.
In 2012 kondigden wetenschappers van de LHC de ontdekking van het Higgs-boson aan nadat ze hadden ontdekt dat een paar van de deeltjes die het Higgs-veld vertegenwoordigen, waren geproduceerd toen protonen met bijna lichte snelheid in elkaar werden geslagen. Deze deeltjes hadden een massa van 125 giga-elektronvolts (GeV), of ongeveer het equivalent van 125 protonen - dus het is nogal zwaar maar niet ongelooflijk groot.
Op het eerste gezicht klinkt dat allemaal goed. Natuurkundigen hadden niet echt een stevige voorspelling voor de massa van het Higgs-deeltje, dus het kon zijn wat het maar wilde zijn; we vonden toevallig de massa binnen het energiebereik van de LHC. Breek de bubbels uit en laten we beginnen met vieren.
Behalve dat er een aantal aarzelende, soort van soort halve voorspellingen zijn over de massa van het Higgs-deeltje op basis van de manier waarop het in wisselwerking staat met weer een ander deeltje, de bovenste quark. Die berekeningen voorspellen een getal dat veel hoger is dan 125 GeV. Het kan gewoon zijn dat die voorspellingen niet kloppen, maar dan moeten we terug naar de wiskunde en uitzoeken waar de zaken heen gaan. Of de discrepantie tussen brede voorspellingen en de realiteit van wat er in de LHC werd gevonden, zou kunnen betekenen dat er meer is in het Higgs-bosonverhaal.
Enorme Higgs
Er zou heel goed een hele reeks Higgs-bosonen kunnen zijn die te zwaar zijn om te zien met onze huidige generatie deeltjesbotsers. (Het massa-energie ding gaat terug naar de beroemde E = mc ^ 2-vergelijking van Einstein, die laat zien dat energie massa is en massa is energie. Hoe hoger de massa van een deeltje, hoe meer energie het heeft en hoe meer energie er nodig is om dat forse te creëren ding.)
In feite voorspellen sommige speculatieve theorieën die onze kennis van de natuurkunde voorbij het standaardmodel duwen, het bestaan van deze zware Higgs-bosonen. De exacte aard van deze extra Higgs-personages hangt natuurlijk af van de theorie, variërend van simpelweg een of twee extra zware Higgs-velden tot zelfs samengestelde structuren gemaakt van meerdere verschillende soorten Higgs-bosonen die aan elkaar vastzitten.
Theoretici zijn druk bezig om een mogelijke manier te vinden om deze theorieën te testen, omdat de meeste eenvoudigweg niet toegankelijk zijn voor huidige experimenten. In een recent artikel dat is ingediend bij het Journal of High Energy Physics en online is gepubliceerd in het preprint-tijdschrift arXiv, heeft een team van natuurkundigen een voorstel gedaan om te zoeken naar het bestaan van meer Higgs-bosonen, gebaseerd op de eigenaardige manier waarop de deeltjes kunnen vervallen in lichtere, gemakkelijker herkenbare deeltjes, zoals elektronen, neutrino's en fotonen. Deze verval is echter uiterst zeldzaam, dus hoewel we ze in principe kunnen vinden met de LHC, zal het nog vele jaren zoeken om voldoende gegevens te verzamelen.
Als het op de zware Higgs aankomt, zullen we gewoon geduld moeten hebben.
