CERN

voorgesteld en ontdekt deeltje. Peter Higgs, een van de natuurkundige Nobelprijswinnaars van 2013, staat voor de CMS detector, onderdeel van de Large Hadron Collider bij CERN, het Europese deeltjesfysicalab. Onderzoekers gebruikten CMS om het 50 jaar geleden voorspelde deeltje Higgs te observeren.Deeltje voorgesteld en ontdekt. Peter Higgs, een van de natuurkundige Nobelprijswinnaars van 2013, staat voor de CMS detector, onderdeel van de Large Hadron Collider bij CERN, het Europese deeltjesfysicalab. Onderzoekers gebruikten CMS om het deeltje Hi te observeren… Toon meer

CERN

bijna 50 jaar na de voorspelling hebben deeltjesfysici eindelijk het higgsboson gevangen. Het Nobelcomité heeft dit jaar de natuurkundeprijs toegekend aan twee theoretici die deze deeltjesjacht begonnen. François Englert van de Vrije Universiteit van Brussel (ULB) en Peter Higgs van de Universiteit van Edinburgh, Verenigd Koninkrijk, hebben onafhankelijk van elkaar een model afgeleid dat verklaart waarom deeltjes niet massaloos zijn, en dit model vereist het bestaan van het higgsboson. Beide artikelen werden in 1964 gepubliceerd in Physical Review Letters.

het higgsboson is het laatste stuk van het standaardmodel van de deeltjesfysica dat na tientallen jaren zoeken geobserveerd kan worden. In juni 2012 kondigde CERN met veel fanfare aan dat de Large Hadron Collider (LHC) in Genève een deeltje had ontdekt met de juiste eigenschappen om het higgsboson te zijn, wat betekende dat onderzoekers een fundamentele theorie van massa hadden bevestigd.

het higgsboson geeft technisch gezien geen massa aan andere deeltjes. Meer precies, het deeltje is een gekwantiseerde manifestatie van een veld (het higgsveld) dat massa genereert door zijn interactie met andere deeltjes. Maar waarom kon massa niet gewoon worden aangenomen als een gegeven?

Het antwoord gaat terug naar eerder werk in de kwantumveldentheorie. Kwantumvelden zijn vergelijkbaar met meer bekende velden, zoals elektrische en magnetische velden. Maar kwantumvelden bevatten opgewekte toestanden die we waarnemen als deeltjes. Deze velden kunnen worden onderverdeeld in materievelden (waarvan de deeltjes elektronen, quarks, enz.) en krachtvelden (waarvan de deeltjes fotonen, gluonen, enz.). In de late jaren 1940 toonden theoretici aan dat een kwantumveldentheorie van fotonen en elektronen met succes elektromagnetische interacties bij hoge energie kon verklaren.

echter, de theorie had problemen met het modelleren van nucleaire interacties. Het korte bereik van de zwakke kernkracht impliceerde dat de overeenkomstige deeltjes massa hadden, in tegenstelling tot het massaloos foton, het deeltje geassocieerd met elektromagnetische velden. Gewoon een massa op een krachtdragend deeltje plakken had desastreuze effecten, waardoor bepaalde voorspellingen tot in het oneindige uiteenliepen. In de vroege jaren 1960 waren theoretici bezig met het zoeken naar alternatieve manieren om massa in de theorie te introduceren.de oplossing geformuleerd door Higgs, Englert en Robert Brout (die met Englert werkte aan de ULB, maar nu overleden is) stelt voor dat de hele ruimte gevuld is met een veld dat interageert met de zwakke krachtdeeltjes om ze massa te geven. Het doet dit omdat het veld wordt verondersteld niet nul te zijn in de lege ruimte. Deze niet-nul-grondtoestand schendt een symmetrie die als fundamenteel wordt beschouwd voor de kwantumveldentheorie. Eerder werk had aangetoond dat dit soort symmetrie breken leidde tot een massaloos, vlekkeloos deeltje dat werd uitgesloten door experimenten . Englert, Brout en Higgs lieten zien hoe je dit ongewenste deeltje kon laten verdwijnen door het ruimtevullende veld te koppelen aan het zwakke krachtveld. Toen ze alle interacties uitpakten, ontdekten ze dat de krachtdeeltjes effectief een massa hadden, en dat het ongewenste, massaloos, vlekkeloos deeltje in essentie werd geabsorbeerd door de zwakke deeltjes. Deze deeltjes kregen een derde draaistoestand als gevolg, en het enige overgebleven spinloze deeltje was het massieve higgsboson. Een soortgelijke theorie werd ontwikkeld door een derde team van theoretici in hetzelfde jaar .later bleek dat het Brout-Englert-Higgsmechanisme (of” Higgsmechanisme”) niet alleen massa kon geven aan zwakke deeltjes, maar ook aan elektronen, quarks en andere fundamentele deeltjes. Hoe sterker een deeltje interageert met het higgsveld, hoe massiever het is. Het is echter belangrijk op te merken dat het grootste deel van de massa in samengestelde deeltjes, zoals protonen, kernen en atomen, niet afkomstig is van het Higgs-mechanisme, maar van de bindingsenergie die deze deeltjes bij elkaar houdt.”Brout and Englert and Higgs put forth a very clever idea, now known as the Higgs mechanism,” zegt Michael Turner van de Universiteit van Chicago. “Het geeft een verklaring voor een van de eenvoudigste vragen die je kunt stellen: Waarom hebben deeltjes massa? Zo ‘ n eenvoudige vraag—maar zeer diepgaand—dat velen niet eens denken om het te stellen.”Om dit mechanisme te valideren, bouwden deeltjesfysici de LHC, de grootste, meest technologisch geavanceerde machine ooit gebouwd, zegt Joseph Incandela, woordvoerder van het CMS-experiment, dat een van de detectoren was die het higgsboson zag. “Ik denk dat mensen hier naar kijken en het gevoel hebben dat deeltjesfysica hier zoiets als een maanlanding heeft opgeleverd,” zegt hij.

–Michael Schirber

Michael Schirber is een corresponderende redacteur voor Natuurkunde gevestigd in Lyon, Frankrijk.

1. J. Goldstone,” Field theories with supergeleider Solutions, ” Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg, “Broken Symmetries,” Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, “Global Conservation Laws and Massless Particles,” Phys. Eerwaarde Lett. 13, 585 (1964)

meer informatie

• Nobel Prijsaankondiging met begeleidende achtergrond

  Focus story on 2008 Nobel Prize for theory of symmetry breaking

  Brief History of the Higgs Mechanism, from the University of Edinburgh

onderwerpen

meer artikelen