Op 4 juli 2022 is het tien jaar geleden dat natuurkundigen op CERN de ontdekking van het higgsdeeltje bekendmaakten. Na een zoektocht van bijna vijftig jaar was het ontbrekende elementaire deeltje uit het Standaardmodel eindelijk gevonden.
Peter Higgs voorspelt in 1964 al het bestaan van dit subatomaire deeltje, dat verantwoordelijk is voor de massa van atomen. Maar pas dertig jaar later begint de Large Electron-Positron Collider (LEP) ook echt te zoeken naar het mysterieuze deeltje.
Massa = Kassa
Samen met andere deeltjesversnellers maakt de LEP steeds meer duidelijk over de mogelijke massa van het higgsdeeltje, maar nog steeds wordt er geen tastbaar bewijs gevonden. Tot in 2008 de Large Hadron Collider (LHC) bij deeltjeslab CERN in het Zwitserse Genève begint met zijn eerste serie runs.
De ondergrondse, ringvormige deeltjesversneller heeft een omtrek van 27 kilometer, kostte miljarden euro’s om te bouwen en heeft als belangrijkste missie om het higgsdeeltje aan te tonen. Nog nooit zijn subatomaire deeltjes door menselijk toedoen zo hard en krachtig met elkaar in botsing gekomen.
Geen einde van de wereld, maar champagne
Het duurt nog vier jaar, maar dan kan de champagne open. Het deeltje wordt opgepikt na een spetterende botsing van protonen, die bijna zo snel als het licht gaan. Vlak daarna valt het higgsdeeltje alweer uiteen. Maar in 2012 wordt genoeg bewijs gevonden om andere verklaringen voor de data uit te kunnen sluiten. De kans dat er sprake is van een toevalstreffer is kleiner dan 1 op 3,5 miljoen.
Nikhef
Wetenschappers en technici van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef in Amsterdam hebben een belangrijke rol gespeeld in de succesvolle zoektocht naar het higgsdeeltje en het onderzoek nadien.
Nikhef-directeur en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam Stan Bentvelsen was destijds leider van het Nederlandse higgsonderzoek met de ATLAS-detector op het CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Hij kijkt met trots terug op de persconferentie: “Het was tien jaar geleden geweldig spannend. Met de ATLAS-detector hadden we genoeg bewijs voor het bestaan van het higgsdeeltje, waar zo lang naar gezocht was. Op die vierde juli in 2012 kwam alles bij elkaar. Onze resultaten en die van het andere experiment op CERN, de CMS-detector. Zij zagen hetzelfde. Hierdoor was er geen twijfel meer mogelijk: het higgsdeeltje was ontdekt.”
Kippenvel
“Ik was die dag zelf in Amsterdam op Nikhef, waar we de bekendmakingen op grote schermen volgden met collega’s en veel pers. Dat was wel kippenvel. Een feestdag in alle opzichten”, herinnert Bentvelsen zich.
De Nederlandse professor legt uit welke belangrijke inzichten de ontdekking van het higgsdeeltje heeft opgeleverd: “Het bestaan van het higgsdeeltje betekende vooral een bewijs dat onze deeltjestheorie al heel goed is. Het higgsdeeltje is theoretisch nodig om te kunnen verklaren hoe deeltjes aan hun massa komen.”
De zoektocht gaat door
Daarna is niet stilgestaan. “De afgelopen tien jaar hebben we twee dingen gedaan met de versneller en de detectoren op CERN”, vertelt Bentvelsen over de tijd na de ontdekking. “Ten eerste zochten we naar nog meer onverwachte deeltjes, die zoektocht gaat altijd door. Maar daarnaast hebben we heel precies gekeken of het gevonden higgsdeeltje echt werkt zoals we denken.”
De conclusie? “Tot nu toe is het antwoord ‘ja’: het higgsdeeltje doet eigenlijk precies wat we verwachten. Dat klinkt niet heel spannend, maar het is belangrijk, omdat we allerlei ideeën hebben over hoe het higgsdeeltje een rol heeft gespeeld in bijvoorbeeld de oerknal. Als we de higgs goed kennen, begrijpen we ook beter hoe het universum is ontstaan”, aldus de fysicus.
Heftiger dan ooit
De LHC is na een driejarige onderhoudspauze alweer enkele maanden actief. De energie die vrijkomt bij de protonenbotsingen is met 6,8 teraelektronvolt (TeV) groter dan ooit. Het wachten is niet voor niets geweest. De derde run is van start gegaan. “Op 5 juli 2022 begint de Large Hadron Collider aan een nieuwe meetperiode. Op vol vermogen, met de meest heldere bundels die we kunnen maken. De Zwitserse cirkelversneller jaagt protonen op tot enorme energie en de lichtsnelheid. Als ze botsen, ontstaan onder meer higgsdeeltjes. Zo veel dat we ze beter dan ooit kunnen bestuderen”, zegt Bentvelsen.
Zwarte materie
Maar de LHC doet meer. “Er zijn nog allerlei koppelingen met andere deeltjes die we niet goed kennen. Daarnaast jagen de experimenten op afwijkingen in bepaalde processen, waarvoor nu en dan al aanwijzingen zijn opgedoken. Er is altijd de mogelijkheid van onbekende nieuwe deeltjes”, aldus Bentvelsen.
Er liggen volgens hem nog een aantal geweldige uitdagingen in het verschiet. “Er zijn nog veel onbeantwoorde vragen in ons vakgebied. In het heelal is ongeveer vier vijfde van alle materie niet te zien. Wat is die donkere materie? We kennen nog maar een klein deel van de materie die bestaat.”
Gevraagd naar de verwachtingen voor de toekomst, is de wetenschapper erg enthousiast: “Met de versneller en detectoren als ATLAS op CERN kunnen we nog jaren verder, op zoek naar nieuwe deeltjes, naar meer precisie, naar afwijkingen van wat we denken te weten.”
Opwindende mondiale zoektocht
Maar je hoeft niet per se naar Zwitserland voor nieuwe inzichten in de elementaire deeltjes. “Interessant is dat er ook op allerlei andere manieren naar de deeltjeswereld en het universum kan worden gekeken. Van antennes voor kosmische straling in de woestijn van Argentinië tot neutrinodetectoren in de diepten van de Middellandse Zee en zwaartekrachtsgolfantennes in Italië”, vertelt de professor. “Binnenkort doen we misschien wel metingen in Limburg. We kunnen nog enorm veel leren over het heelal en zijn bouwstenen, als we deze data en kennis analyseren. Het zijn opwindende tijden.”
