Icon up Overzicht

Wanted: het Higgsdeeltje

Onderwerp: Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica

Je hebt vast wel eens gehoord van een atoom, van een elektron, van een proton en een neutron. Dit zijn deeltjes waar alle materie uit opgebouwd is. De vraag is natuurlijk: wat is het kleinste deeltje? En zijn er misschien kleine deeltjes die tot nu toe gewoon niet "gezien" zijn? Het standaardmodel moet alle deeltjes in kaart brengen. Een ander aspect van deze zoektocht is dat men door kennis te nemen van de kleinste deeltjes alle krachten die in de natuur voorkomen wil verklaren. Denk daarbij aan het foton dat een rol speelt bij de electromagnetische kracht. Het Higgsdeeltje is een deeltje dat volgens het standaardmodel moet bestaan, alleen blijkt het nogal lastig te vinden......

Van groot naar klein...

Verder onderzoek bracht echter vele "vreemde" deeltjes aan het licht, het werden er wel honderden. Zoveel deeltjes zouden beschreven moeten worden met een klein aantal bouwstenen. Dat was de aanleiding tot de ontwikkeling van het standaardmodel: met een beperkt aantal deeltjes moeten alle deeltjes beschreven kunnen worden. Het standaardmodel is in feite een enorme legpuzzel waarvan niet bekend is hoeveel stukjes er nog niet zijn gelegd. Elk gevonden deeltje is een puzzelstukje. Er lijkt steeds weer een puzzelstukje over te zijn.

Je moet je het zo voorstellen: als je je natuurkundeboek doorbladert, blijkt een aantal grootheden altijd behouden. Je hebt vast wel eens gehoord van de wet van behoud van energie en de wet van behoud van impuls. De hoeveelheid lading in een systeem is ook altijd behouden. Er blijken nog een aantal behoudswetten te zijn. Het is nu niet nodig om die allemaal te kennen. Soms als er bij een experiment een nieuw deeltje wordt gevonden, blijkt dat aan een van de behoudswetten niet wordt voldaan. Dat kan twee dingen betekenen: of er is slecht gemeten of er moet nog een deeltje bestaan dat met de gebruikte opstelling niet is gezien. In het laatste geval is er weer werk aan de winkel....

Meer info? Als je meer wilt weten over het standaard model dan kun je deze link volgen.

Het Higgsdeeltje, de missing link...

Het standaardmodel voorspelt een deeltje dat nog niet is aangetoond: het Higgsdeeltje. Als het standaardmodel klopt bestaat het Higgsdeeltje echt. Omdat een deel van de puzzel al gelegd is, weet men welke massa het deeltje ongeveer hebben moet. Om het Higgsdeeltje te maken laten wetenschappers protonen met hoge snelheid op elkaar botsen. Bij zo'n botsing ontstaan in een paar nanoseconden zeer veel verschillende deeltjes met verschillende energieën. Het grootste deel van deze deeltjes is niet erg interessant. Het Higgsdeeltje zal, als het bij zo'n botsing ontstaat, heel snel vervallen. Volgens welk schema het verval plaatsvindt, hangt af van de exacte massa van het Higgsdeeltje. Onderzoekers moeten methodes bedenken om al deze reactieproducten te detecteren en te analyseren.

ATLAS detector

De ATLAS-detector bestaat uit ongeveer 150 miljoen kleine detectorelementen die tezamen onder andere elektronen en muonen detecteren. Zo'n veertig miljoen keer per seconde botsen de protonbundels op elkaar en moeten de detectorelementen klaar staan om eventuele signalen te kunnen registreren. Dit levert veel te veel informatie op om allemaal op te slaan. Met behulp van krachtige computers worden bruikbare signalen gescheiden van weinig interessante signalen. Uiteindelijk blijft er elke seconde maar een beperkte hoeveelheid informatie over. De ATLAS-detector is sinds medio 2007 operationeel.

Klik op afbeelding voor groter plaatje. De ATLAS-detector. Illustratie: CERN

Een voorbeeld: bij een bepaalde massa kan het Higgsdeeltje uiteenvallen in twee zogenaamde Z-deeltjes. Elk Z-deeltje kan weer uiteenvallen in twee elektronen of twee muonen. Er is dus 25 procent kans op vier elektronen of vier muonen en vijftig procent kans op twee elektronen en twee muonen. Door een detector te bouwen die muonen en elektronen kan detecteren, kan men mogelijk het Higgsdeeltje in beeld brengen.

Reconstructie

De enorme hoeveelheid gegevens die een meting oplevert, wordt verwerkt door supercomputers. Het analyseren van de baan van een deeltje en vervolgens het vergelijken van de beweging van de deeltjes vraagt veel computercapaciteit. Alleen al voor de simulatie van een enkele interactie tussen twee protonen heeft de computer al enkele tientallen minuten nodig. De ontwikkeling van speciciale software maakt het voor deelnemende instellingen zoals CERN en NIKHEF mogelijk computercapaciteit over de gehele wereld te gebruiken voor de jacht op het Higgsdeeltje. Deze ontwikkeling is van groot belang voor de onderzoekers.

Klik op afbeelding voor groter plaatje. Uitgevoerde simulaties laten het verval zien van een Higgsdeeltje in vier muonen. De gele sporen tonen de baan van de muonen. Illustratie: CERN

Verwachtingen

De theorie vereist het bestaan van het Higgsdeeltje. Als dit experimenteel wordt aangetoond, dan is er weer een puzzelstukje gelegd. Maar het kan ook gebeuren dat het niet aangetoond wordt. Natuurkundigen moeten openstaan voor het onverwachte. De vraag is dan wel wat de natuur bedacht heeft, want er blijft dan een 'missing link' in het standaardmodel.

Kosmische straling

 

De atmosfeer wordt voortdurend gebombardeerd door kleine deeltjes afkomstig uit de ruimte. Sommige deeltjes bereiken ook het aardoppervlak. Bijvoorbeeld muonen en neutrino's. Wil je meer weten over deze deeltjes dan kun je de volgende artikelen eens bekijken: Diepzeetelescoop kijkt naar muonen uit heelal en De tweelingparadox. In het tweede artikel wordt uitgelegd hoe het kan dat muonen toch op het aardoppervlak gemeten worden, terwijl ze maar heel kort kunnen bestaan.