Higgsdeeltje (Higgs-boson): betekenis en rol in het Standaardmodel
Ontdek het Higgs-deeltje: betekenis en rol in het Standaardmodel, het Higgs-veld, hoe CERN het ontdekte en waarom het essentieel is voor massa en moderne deeltjesfysica.
Higgs-boson (ook wel Higgs-deeltje) is een fundamenteel deeltje in het Standaard Natuurkundig Model. Het bestaan van het deeltje werd in de jaren zestig voorgesteld door onder andere Peter Higgs en andere onderzoekers (Brout, Englert, Guralnik, Hagen en Kibble). Op 4 juli 2012 kondigden wetenschappers bij CERN aan dat de experimentele gegevens van de LHC wezen op een nieuw deeltje consistent met het voorspelde Higgs-boson; in 2013 ontvingen Peter Higgs en François Englert de Nobelprijs voor dit theoretische werk.
Wat is het Higgs-veld en het Higgs-boson?
Het Higgs-veld is een scalaire (d.w.z. richtingloze) veld dat overal in het heelal aanwezig is. In tegenstelling tot bekende velden zoals het elektromagnetische veld, heeft het Higgs-veld vrijwel overal een niet-nul verwachtingswaarde in de leegte. Kleine trillingen of kwantumexcitaties van dat veld verschijnen als een deeltje: het Higgs-boson. Het Higgs-boson is een boson met spin 0 (een scalaire boson).
Rol in het Standaard Model
De belangrijkste rol van het Higgs-veld in het Standaard Model is het geven van massa aan bepaalde elementaire deeltjes via het zogeheten Higgs-mechanisme (spontane symmetriebreking). Door interactie met het Higgs-veld verwerven de zwakke krachtdragers (de W- en Z-bosonen) een massa, en via zogenaamde Yukawa-koppelingen krijgen ook elementaire fermionen (zoals quarks en leptonen) effectieve massatermen. Het Higgs-mechanisme verklaart dus waarom sommige deeltjes zwaar zijn terwijl andere, zoals het foton, massaloos blijven.
Belangrijk om te benadrukken is dat het Higgs-mechanisme niet de volledige verklaring geeft voor alle materiemassa: de massa van samengestelde deeltjes zoals protonen ontstaat grotendeels uit de bindingsenergie van de sterke wisselwerking (QCD), niet direct uit het Higgs-veld.
Eigenschappen en waarnemingen
Het inmiddels ontdekte Higgs-boson heeft een massa van ongeveer 125 GeV/c² (ongeveer 125 keer de massa van een proton) en blijkt een spin-0 deeltje te zijn. Het levenstijd van het Higgs-boson is extreem kort (orde 10−22 seconden), waardoor het vrijwel onmiddellijk vervalt in andere deeltjes. Typische vervalkanalen die experimenten gebruiken om het Higgs te identificeren zijn onder andere:
- γγ (twee fotonen)
- ZZ* → vier leptonen (bijv. vier muonen of elektronen)
- WW* → leptonen + neutrino's
- b&bar;b (b-quark paren) en τ+τ−
In colliderexperimenteen zijn de belangrijkste productieprocessen voor het Higgs: gluon-fusie (dominant), vectorboson-fusie en geassocieerde productie met een W, Z of topquark. Detectoren zoals ATLAS en CMS bij de Large Hadron Collider zijn ontworpen om deze signalen te meten en te onderscheiden van de vele achtergrondprocessen.
Hoe wordt het Higgs-boson gemaakt en gedetecteerd?
Omdat het Higgs-boson relatief zwaar is, is er veel energie nodig om het te produceren. De Large Hadron Collider bij CERN versnelt deeltjes tot dicht onder de lichtsnelheid en laat bundels (trossen) protonen in tegengestelde richting botsen. Elke botsing kan een vlaag van nieuwe deeltjes produceren. De kans dat een enkele botsing een Higgs-boson voortbrengt is zeer klein; daarom worden er biljoenen tot triljoenen botsingen (en enorme hoeveelheden data) nodig geacht om voldoende signaal te verzamelen en een betrouwbaar resultaat te krijgen.
In de botsing wordt (volgens de relativiteitstheorie van Einstein) kinetische energie geconcentreerd in een klein gebied, en die energie kan in massa van nieuwe deeltjes worden omgezet (E = mc²). Dat betekent niet dat energie verdwijnt: energie wordt omgezet in de massa en beweging van de geproduceerde deeltjes, waaronder mogelijk een Higgs-boson.
Belang, beperkingen en open vragen
De ontdekking van het Higgs-boson voltooide een cruciaal onderdeel van het Standaard Model en bevestigde het bestaan van het Higgs-veld. Toch blijven er belangrijke open vragen:
- Precisiewaarnemingen: meten of de koppelingen van het Higgs aan andere deeltjes precies overeenkomen met de voorspelling van het Standaard Model of aanwijzingen geven voor nieuw natuurkundig verschijnsel.
- Natuurlijkheid en hiërarchieprobleem: waarom is de massa van het Higgs relatief laag (∼125 GeV) terwijl kwantumeffecten deze massa naar veel grotere waarden zouden willen duwen? Dit roept theorieën op zoals supersymmetrie of andere nieuwe fysica.
- Meerdere Higgs-deeltjes: veel uitbreidingen van het Standaard Model voorspellen extra Higgs-achtige deeltjes of meer complexe Higgs-sectoren.
- Relatie tot zwaartekracht en kosmologie: het Standaard Model beschrijft geen zwaartekracht; de rol van het Higgs-veld in vroeg-universumverschijnselen (zoals faseovergangen) is onderwerp van onderzoek.
In populaire cultuur
Het Higgs-boson verschijnt regelmatig in populaire wetenschap en sciencefiction. In 1993 noemde de natuurkundige Leon Lederman het in zijn boek spottend het “God-deeltje” — een term die veel aandacht trok maar door sommigen als misleidend of sensationalistisch wordt ervaren.
Samengevat: het Higgs-boson is het kwantum van het Higgs-veld en speelt een sleutelrol in het verklaren van massa voor elementaire deeltjes binnen het Standaard Model. De ontdekking bij CERN was een mijlpaal, maar vervolgmeting en theoretisch werk blijven nodig om de volledige implicaties te begrijpen.
Een computergegenereerd beeld van een Higgs-interactie
Ontdekking
Op 12 december 2011 maakten de twee teams van de Large Hadron Collider die op zoek waren naar het Higgs-boson, ATLAS en CMS, bekend dat ze eindelijk resultaten hadden gezien die konden suggereren dat het Higgs-boson bestond; ze wisten echter niet zeker of dit waar was.
Op 4 juli 2012 verklaarden de teams van de Large Hadron Collider dat ze een deeltje hadden ontdekt waarvan ze denken dat het het Higgs-boson is.
Op 14 maart 2013 hadden de teams nog veel meer tests gedaan en kondigden ze aan dat ze nu denken dat het nieuwe deeltje een Higgs-boson is.
Vragen en antwoorden
V: Wat is het Higgs boson?
A: Het Higgs boson is een deeltje in het Standaard Model van de fysica. Het werd voor het eerst voorgesteld door Peter Higgs in de jaren 1960 en het bestaan ervan werd bevestigd door wetenschappers van CERN op 14 maart 2013. Het is een van de 17 deeltjes in het Standaardmodel en is een boson, waarvan wordt aangenomen dat het verantwoordelijk is voor de fysische krachten.
V: Hoe werkt het Higgs-veld?
A: Het Higgs-veld is een fundamenteel veld dat bijna overal een niet-nulwaarde heeft. Het was het laatste niet geverifieerde deel van het Standaardmodel en het bestaan ervan werd gezien als "het centrale probleem in de deeltjesfysica". Wanneer ijkbosonen ermee interageren, vertragen zij en gaat hun kinetische energie naar het creëren van massa-energie, die wordt wat wij een Higgs-boson noemen. Dit proces gehoorzaamt aan de wet van behoud van energie, waarbij geen energie wordt gecreëerd of vernietigd, maar in plaats daarvan kan worden overgedragen of van vorm kan veranderen.
V: Waarom is het moeilijk om het Higgs boson te detecteren?
A: Het Higgs boson heeft een zeer grote massa in vergelijking met andere deeltjes, zodat het niet erg lang meegaat. Er zijn er meestal geen omdat het zoveel energie kost om er een te maken. Om ze te vinden, ziften wetenschappers met supercomputers door enorme hoeveelheden gegevens van triljoenen deeltjesbotsingen bij de Large Hadron Collider (LHC) van het CERN. Zelfs dan is er slechts een kleine kans (één op 10 miljard) dat er bewijs voor een Higgs opduikt en wordt ontdekt.
V: Welke andere bekende bosonen zijn er?
A: Andere bekende bosonen zijn fotonen, W- en Z-bosonen en gluonen.
V: Hoe houdt Einsteins vergelijking E=mc2 verband met het ontstaan van massa-energie uit kinetische energie?
A: De beroemde vergelijking van Einstein stelt dat massa gelijk is aan een extreem grote hoeveelheid energie (bijvoorbeeld 1 kg = 90 quadriljoen joule). Wanneer de kinetische energie van ijkbosonen die met het Higgs-veld interageren, vertraagt, gaat diezelfde hoeveelheid kinetische energie naar het creëren van massa-energie die wordt wat wij een Higgs Boson noemen - waardoor de totale energie volgens de behoudswetten behouden blijft.
V: Welke rol spelen sciencefictionverhalen bij het begrijpen van de werking van higgsbosons?
A: Science fiction verhalen hebben vaak higgsbosons als onderdeel van hun plot, maar deze verhalen geven niet noodzakelijk accurate wetenschappelijke informatie over hoe ze werken - ze zijn meer voor amusementsdoeleinden dan iets anders!
Zoek in de encyclopedie