Het Higgs-deeltje: een zwarte kat in het donker

Case

Het Higgs-deeltje: een zwarte kat in het donker

De ontdekking van een deeltje waar niemand iets over weet

Op 4 juli 2012 durfden de deeltjesfysici in Genève het aan: bekendmaken dat na 50 jaar naarstig zoeken het Higgs-deeltje lijkt te zijn ontdekt. Er is alleen één probleem: we weten niets over het deeltje. Van die onzekerheid heeft Pamela Ferrari haar werk gemaakt. Als fysica verbonden aan het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef, legt ze zich toe op het analyseren van de eigenschappen van het nieuwe deeltje. Is dit het Higgs-deeltje, of niet?

Het Higgs-deeltje was het enige deeltje in het Standaardmodel van de natuurkunde waarvan het bestaan wel was voorspeld, maar nog niet aangetoond. Pamela Ferrari: ‘Er is nu een deeltje ontdekt, maar het is onzeker of dit hetzelfde deeltje is als Peter Higgs in 1964 voorspelde. Zolang we dat niet zeker weten, liggen eigenlijk alle opties open. Dan zoeken we nog steeds naar het Higgs-deeltje. Bovendien moeten we dan rekening houden met een nieuwe fysica voorbij het standaardmodel van de natuurkunde.’

Het Standaardmodel

Het Standaardmodel van de natuurkunde beschrijft het geheel aan deeltjes en krachten waaruit materie is opgebouwd, inclusief hun onderlinge krachtenspel. In 1964 constateerde Peter Higgs dat overal in het universum elementaire deeltjes massa krijgen als ze in contact komen met een veld; het Higgs-veld. Zware deeltjes ondervinden meer wisselwerking met dit veld, lichte worden minder afgeremd. Als er een veld is, bedachten Higgs en zijn collega’s, dan moet er ook een bijbehorend deeltje bestaan. Zo ging het hypothetische deeltje de geschiedenis in als het Higgs-deeltje. De jacht was geopend.

Het Higgs-deeltje verklaart waardoor elementaire deeltjes massa krijgen
- Pamela Ferrari

De zoektocht naar de eigenschappen

Het Higgs-deeltje verklaart waardoor elementaire deeltjes massa krijgen. ‘Daarmee is misschien het mechanisme ontrafeld,’ legt Ferrari uit, ‘maar over het deeltje zelf weten we nog heel weinig. Is het deeltje dat nu gevonden is, eigenlijk wel het deeltje dat is voorspeld door het Standaardmodel?’ Sommige fysici hopen dat het een nieuw deeltje is dat kan helpen andere natuurkundige verschijnselen te verklaren, zoals de aanwezigheid van ‘donkere materie’. Hoe dan ook, de zoektocht naar de eigenschappen begint nu pas echt.

Hele of halve spin?

Deeltjes zijn bosonen of fermionen, afhankelijk van hun impulsmoment of spin. Een spin is een fundamentele eigenschap van een deeltje, een kwantummechanische grootheid. Als deeltjes een rond spingetal hebben, dus 0, 1 of 2, dan zijn het bosonen. Hebben ze een halve spin, dan zijn het fermionen. Het Higgs-deeltje zoals dat wordt voorspeld door het Standaardmodel heeft een spin van 0. Als het deeltje dat ontdekt is een andere spin heeft, dan zou dat betekenen dat er sprake is van een nieuw deeltje en dus een alternatieve natuurkunde; voorbij het Standaardmodel.

Ferrari’s fascinatie met de oerknal

Pamela Ferrari werkt sinds 2002 aan het ATLAS-experiment en is sinds 2011 betrokken bij het Higgs-onderzoek. ATLAS is een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) op het CERN, het instituut voor deeltjesfysica bij Genève. Door deze deeltjesversneller worden protonen met de snelheid van (bijna) het licht door een tunnel heen geschoten. Waar de protonen met elkaar in botsing komen, komt energie vrij waardoor andere, nieuwe deeltjes gevormd kunnen worden. De waarnemingen worden gedaan met behulp van een detector; deze ATLAS-detector verzamelt de meetgegevens elektronisch en stelt een nauwkeurige digitale reconstructie samen van de botsing.

Nikhef, waar Pamela Ferrari voor werkt, is een NWO-instituut. Nikhef is lid van het ATLAS-experiment, en zo kan Pamela Ferrari voor haar onderzoek gebruik maken van deze deeltjesversneller.

Het Higgs-deeltje kón gewoonweg niet eerder gevonden worden, omdat er nog geen deeltjesversneller bestond die de protonen met zo’n snelheid tegen elkaar kan laten botsen, en dus zoveel energie vrij laten komen, als de huidige LHC. ‘Hoe hoger de energie van de botsing, hoe beter we het moment van de oerknal kunnen nabootsen,’ aldus Ferrari. Want dat is uiteindelijk de kernvraag die Ferrari probeert te beantwoorden: Hoe is het universum ontstaan? Wat gebeurde er in de eerste microseconden na de Big Bang?

Analysetechnieken

Om de eigenschappen van het nieuwe deeltje te kunnen onderzoeken, ontwikkelde Ferrari samen met haar team bij Nikhef een geavanceerde analysetechniek. ‘Waar we mee te maken hebben is een astronomisch aantal botsingen waarvan de gegevens verzameld zijn door de ATLAS-detector. Elke botsing, stuk voor stuk bekijken is onbegonnen werk. Slechts in een beperkt aantal is een Higgs-deeltje ontstaan. Met behulp van statistiek kun je bijvoorbeeld andere, niet relevante, processen uitsluiten. Met de juiste analysetechnieken kunnen we díe botsingen isoleren, die interessante informatie op kunnen leveren.’

Ferrari’s analysetechniek, de ‘Boosted Decision Trees’, is een complexe techniek en daarom heel geschikt om op verschillende eigenschappen tegelijk te selecteren. ‘Doordat we niet op één criterium selecteren maar verschillende eigenschappen van de botsingen meenemen, kunnen we onderscheid maken tussen de verschillende hypothesen over bepaalde eigenschappen van het Higgs-deeltje. Eén criterium is bijvoorbeeld: de minimale hoeveelheid energie die een deeltje moet bevatten na het verval van het Higgs-deeltje. Maar met alléén deze voorwaarde, is de selectie nog steeds niet bruikbaar.’

‘Stel je hebt twee groepen jongeren', verduidelijkt Ferrari de complexe analysetechniek, 'een groep universitaire studenten en een groep basisschoolleerlingen. Criteria die je kunt gebruiken om de universitaire student te onderscheiden is dat hij langer is dan 1 meter 50 en niet wordt opgehaald door zijn moeder. Wordt een student toevallig toch opgehaald door zijn moeder en uit de selectie geschrapt, dan mis je cruciale data vanwege één eigenschap.’

Boosted Decision Trees houden rekening met alle kenmerken én hun onderlinge samenhang. Overigens klinkt dit eenvoudiger dan het is. ‘Er hoeft maar één kenmerk verkeerd te worden gereconstrueerd door de detector, en je trekt een verkeerde conclusie. De keuze van de variabelen, het controleren of ze ‘goed gemodelleerd’ zijn, en het uitsluiten van alle andere mogelijke fouten, is een grondig en langdurig proces.’

 

De waarde van kennis

Over de waarde van fundamenteel onderzoek is Ferrari heel duidelijk. ‘Je weet van tevoren niet wat onderzoek de samenleving op de langere termijn oplevert. Kennis leidt tot meer kennis, zoals bij het onderzoek naar atomen of genetica. Daarnaast is het van onschatbare waarde op zichzelf. Soms blijkt het bijproduct van het wetenschappelijk bedrijf van grote praktische waarde te zijn, zoals het wereldwijde web, dat op CERN is ontwikkeld.

Ferrari is blij met de media-aandacht rond de ontdekking van het deeltje. Net na de bekendmaking van de ontdekking, was ze op vakantie op de Fiji-eilanden. ‘Het eerst wat de hoteleigenaar vroeg, was of ik het nieuws over het Higgs-deeltje al gehoord had, en dat was en dat op een heel afgelegen eiland. Dat is goed. Het publiek moet weten dat de wetenschap vooruitgang boekt, dat er nieuwe ontdekkingen worden gedaan. Het kan jongeren doen besluiten voor een carrière in de natuurkunde te kiezen. Veel jongeren weten niet hoe spannend het werk van een natuurkundige kan zijn en wat het inhoudt. Geloof me, het is echt heel spannend.’