Een netwerk van higgsdeeltjes omsluit het heelal, van de verre sterrenstelsels tot de cellen van de mens. Al is het niet zichtbaar of direct meetbaar, het higgsveld is zeker stabiel – anders zou de aarde om de zoveel tijd gewichtloos worden.
Sinds het ontstaan van het heelal is het higgsveld constant ingeschakeld en zorgt het ervoor dat alle bouwstenen van de atomen, zoals quarks en elektronen, massa hebben.
Maar hoe het massaveld werkt, houdt de natuurkunde al bezig sinds het higgsdeeltje in 2012 voor het eerst in de detectoren verscheen.
CERN wil het geheim van het higgsveld ontrafelen door higgsdeeltjes in paren te produceren en te onderzoeken hoe deze met elkaar reageren.
De productie begint zodra de grote Large Hadron Collider, LHC, in 2021 klaar is na een twee jaar durende upgrade.
Dan kunnen de natuurkundigen uitzoeken waarom alles massa heeft – en higgsparen kunnen de deur naar de wereld van donkere materie op een kier zetten.
De 14.000 ton zware detector Compact Muon Solenoid, CMS, wordt verbouwd om beter higgsparen te kunnen vinden.
Deeltjes houden het veld in stand
Al heeft nog niemand de aard van het veld onderzocht, natuurkundigen hebben wel een theorie over de werking ervan.
Het geeft de deeltjes in feite energie, en volgens Albert Einsteins bekende vergelijking E = mc2 is energie gelijk aan massa.
Het higgsveld kan worden vergeleken met een elektrisch veld tussen een positief en een negatief geladen elektrode – zij het dat een elektrisch veld verdwijnt wanneer het spanningsverschil tussen de elektroden wordt opgeheven.
Het massaveld daarentegen werkt voor altijd in het heelal doordat de higgsdeeltjes constant met elkaar reageren. De reacties houden de lading van het veld in stand, die de elementaire deeltjes hun massa verleent.
Alle onderdelen van atomen met massa hebben een andere wisselwerking met het higgsveld. Zo zijn quarks sterk aan het veld gekoppeld, en dus zwaar.
De koppeling van de elektronen is zwak, dus die zijn lichter. Hoe de reacties van de higgsdeeltjes het veld in stand houden, gaat de LHC bekijken.
Verval geeft een aanwijzing
Mogelijk heeft de LHC al 1000 higgsparen gevormd, maar die zijn zo zeldzaam dat ze wegvallen in de ruis van alle deeltjes die zijn ontstaan bij de biljoenen botsingen sinds de experimenten in 2010 begonnen. Maar een nieuwe ontdekking stemt tot optimisme.
In 2012 werd het higgsdeeltje gevonden doordat het verviel tot twee energierijke gammafotonen.
Maar vorig jaar verviel een higgsdeeltje tot twee zware bottomquarks, die alleen voortkomen uit de energierijke protonenbotsingen in bijvoorbeeld de LHC. Dit type verval treedt waarschijnlijk op in 60 procent van de gevallen waarin de LHC een los higgsdeeltje vindt.
Hetzelfde zal het geval zijn wanneer higgsdeeltjes in paren worden geproduceerd. Daarom weten natuurkundigen nu wat ze moeten zoeken in de hoeveelheid gegevens: de gelijktijdige vorming van vier bottomquarks.
Die aanwijzing vergroot de kans dat de LHC tijdens zijn levensduur higgsparen vindt en kan vaststellen hoe ze het eeuwige, universele massaveld voortbrengen.
Versneller wordt uitgerust om higgsparen te zoeken
Als de protonen (diagonale buisjes, zie foto) in de deeltjesversneller Large Hadron Collider op elkaar knallen met een energie van 13 biljoen elektronvolt, ontstaat er theoretisch gezien één higgspaar (gele figuren) op elke 2000 losse higgsdeeltjes.
De higgsparen komen aan het licht dankzij de vier quarks (grijze kegeltjes) waartoe de paren vaak vervallen.
Omdat het zo zelden gebeurt, is de paarproductie niet met zekerheid vast te stellen. In 2016 vond de grote ATLAS-detector een mogelijk higgspaar, wat natuurkundigen een idee geeft waar ze naar moeten zoeken.
De LHC wordt in twee fasen verbeterd. Vóór de experimenten in 2021 worden de detectoren geüpgraded, zodat ze meer higgsparen kunnen vinden.
De versneller zelf wordt aangepast in 2024 en 2025 en kan dan tien keer zo veel protonen laten botsen: 10 miljard per seconde. Dat vergroot de kans op het produceren van een higgspaar.
Higgsparen maken oersoep
De LHC heeft al de oersoep van het heelal gecreëerd, die ongeveer een microseconde na de schepping bestond. Maar higgsparen kunnen nog een stapje teruggaan en de vorming van de oersoep zelf herscheppen, waarin het higgsveld zijn oorsprong vond, een biljoenste seconde na de oerknal.
Voordien was het prille heelal tijdens een ultrakorte periode razendsnel uitgedijd door toedoen van de (hypothetische) inflatonen.
Toen het higgsveld ontstond, vond er een faseovergang plaats, net als wanneer stoom afkoelt tot vloeibaar water, en het veld zette meteen de energie van de inflatonen om in massa: de quarks en antiquarks van de oersoep.
Als het lukt om genoeg higgsparen te produceren en te leren hoe deze deeltjes samenwerken, kunnen natuurkundigen de energiedichtheid van het oorspronkelijke higgsveld berekenen en te weten komen hoe hevig de faseovergang was.
Als de vorming van het oorspronkelijke higgsveld een extreem hevige faseovergang teweegbracht, kan de instabiliteit als gevolg daarvan verklaren waarom alle stelsels van het heelal uit materie bestaan.
Het is al vele jaren een mysterie waarom materie het won van antimaterie. In theorie zijn er net zo veel quarks als antiquarks gevormd, maar als dat echt zo is, zouden de sterrenstelsels niet bestaan.
Als materie en antimaterie elkaar tegenkomen, vagen de deeltjes elkaar immers weg. Daarom moeten er op elke miljard antiquarks circa 1 miljard quarks plus 1 zijn ontstaan. De overlevende quarks vormden dan de eerste atomen.
Higgsveld creëerde de materie net na de oerknal
1. Het heelal groeit
Na de oerknal begint de inflatie, waarbij het net ontstane heelal sneller dan de snelheid van het licht uitdijt.
Wanneer de inflatie een biljoenste seconde na de oerknal ophoudt, komt de energie van de uitdijing in een faseovergang terecht die de oersoep voortbrengt.
2. Higgsveld ontstaat
De faseovergang schakelt in het hele heelal, ter grootte van een voetbal, het higgsveld in.
Dit veld geeft massa aan quarks en hun antideeltjes, antiquarks, die samen met massaloze krachtdeeltjes, gluonen, de oersoep vormen.
Bij een botsing vagen quarks en antiquarks elkaar weg.
3. Materie wint het
Als de faseovergang hevig is, schept hij een instabiliteit die meer quarks dan antiquarks voortbrengt.
Gluonen binden de overtollige quarks drie aan drie in protonen en neutronen, die atomen en sterrenstelsels vormen.
Reacties van paren higgsdeeltjes moeten uitwijzen hoe de faseovergang verliep.
Deeltjes creëren een donker veld
De higgsdeeltjes en hun massaveld zijn aan het standaardmodel van de natuurkunde toegevoegd om te kunnen verklaren hoe alle atomaire bouwstenen massa krijgen.
Toen de LHC het higgsdeeltje vond, was dit model definitief bewezen. Maar er zitten gaten in – het verklaart niet de donkere materie die volgens astronomen 85 procent van alle massa in de sterrenstelsels uitmaakt.
Higgsparen kunnen echter de deur naar de wereld van de donkere materie op een kier zetten. Volgens nieuwe ‘theorieën van alles’ zijn er onbekende tweelingen van het higgsdeeltje, en een daarvan zou een donker massaveld creëren dat de donkere materie massa geeft.
Als die tweelingen er echt zijn, zullen natuurkundigen met de bijgewerkte LHC tot zes keer zo veel higgsparen vinden als het standaardmodel heeft voorzien.
Die afwijking zal een sterk indirect bewijs zijn van het bestaan van donkere materie.
Gigantische versneller klaar in jaren 2040
Als de LHC niet genoeg higgsparen kan produceren, zal de Future Circular Collider het in de jaren 2040 overnemen. Die enorme versneller kan protonen zeven keer zo hard op elkaar laten botsen als de LHC en zeker 40 keer zo veel higgsparen produceren.
Daarmee vallen er allerlei raadsels op te lossen: waarom er materie is, of donkere materie bestaat en waarom de onderdelen van de atomen massa hebben – in de zon, in sterrenstelsels en in mensen.