Het higgsdeeltje houdt ook van muonen. Dat laten metingen van zowel de ATLAS– als de CMS-detector bij de LHC-deeltjesversneller van CERN zien. Dit is het eerste bewijs dat het in 2012 ontdekte deeltje zich niet alleen bezighoudt met de allerzwaarste generatie elementaire deeltjes.
Het higgsdeeltjes bepaalt de massa van andere elementaire deeltjes. Dat doet het door het zogeheten higgsveld. Als deeltjes daar doorheen bewegen, ondervinden ze een soort wrijvingsweerstand, als knikkers die door stroop bewegen. Hoe meer wrijving een deeltje ervaart in dit higgsveld, des te groter de massa.
Universeel higgsveld
Het bestaan van het higgsveld werd oorspronkelijk voorgesteld door de natuurkundigen François Englert, Robert Brout en Peter Higgs om de massa’s van de zogeheten W- en Z-bosonen te verklaren. Deze elementaire deeltjes spelen onder andere een rol bij radioactief bètaverval. In 2012 toonden ATLAS en CMS dat het higgsdeeltje – en dus het higgsveld – bestaat.
‘Later is aan die theorie toegevoegd dat het higgsveld ook fermionen (de materiedeeltjes waar atomen uit bestaan – red.) massa geeft’, vertelt Tristan du Pree, onderzoeker bij het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef en betrokken bij ATLAS.
Er blijken drie generaties materiedeeltjes te bestaan. De eerste bevat de up- en de downquark en het elektron; hier bestaat bijna alle materie om ons heen uit. De tweede en derde generatie bevatten vergelijkbare deeltjes, maar dan telkens een slag zwaarder.
Bij CERN is de laatste jaren aangetoond dat higgsdeeltjes vervallen naar de zwaarste generatie: de top- en de bottomquark, en het taudeeltje. Dat betekent dat het higgsveld in elk geval de derde generatie massa geeft.
De nieuwe metingen van ATLAS en CMS laten nu zien dat higgsdeeltjes ook naar paren muonen kunnen vervallen. Dat zijn zware neefjes van elektronen die behoren tot de tweede generatie. Het is voor het eerst dat fysici higgsdeeltjes zien vervallen naar deeltjes uit deze generatie.
Elk een eigen higgsdeeltje?
Dat het higgsveld ook voor materiedeeltjes werkt, is al bijzonder, omdat het als theorie enkel voor W- en Z-bosonen bedacht was. Er lijkt dus een universeel higgsveld te zijn dat werkt voor alle deeltjes met massa.
‘Maar de massa’s van de drie generaties deeltjes lopen enorm uiteen’, zegt Du Pree. ‘We snappen niet echt waarom dat zo is en waarom er drie generaties zijn. Aangezien het higgsdeeltje massa geeft, hopen we door de interactie van dit deeltje met lichtere deeltjes te bestuderen te leren wat daarachter zit.’
‘Mijn hoop was dat de deeltjes van de tweede generatie hun massa zouden krijgen van een ander soort higgsdeeltje’, zegt Du Pree. ‘Elke generatie zou dan een eigen higgsdeeltje hebben, wat het massaverschil zou verklaren. Dat lijkt niet het geval, nu muonen ook gewoon lijken te reageren met het bekende higgsdeeltje.’
ATLAS en CMS
De ATLAS-onderzoekers kondigden als eerste aan hier voorzichtige aanwijzingen voor te zien. ‘Er is 2,5 procent kans dat de meting toeval is’, vertelt Du Pree. Dat betekent dat er 2,5 procent (een op veertig) kans is dat ATLAS-meting geen higgsdeeltjes waren die naar muonen vervielen, maar dat het een statistische fluctuatie van een ander verval was.
De nieuwere metingen van de CMS-groep zijn zekerder. ‘CMS ziet bewijs voor dit verval’, zegt Freya Blekman, hoogleraar aan de Vrije Universiteit Brussel en betrokken bij CMS. De kans dat de CMS-metingen toeval zijn, is slechts een op zevenhonderd, een zogeheten ‘3-sigma-meting’.
Dat zowel ATLAS als CMS dit verval ziet, maakt het bewijs nóg sterker. Als de detectoren in de toekomst samen metingen doen waardoor de kans op toeval zakt naar minder dan een op een miljoen, dan is het een ‘5-sigma-meting’ en kan CERN spreken van een wetenschappelijke ontdekking.
Super-indrukwekkend
‘Als eerste meting is het super-indrukwekkend’, zegt Blekman. ‘Het is voornamelijk onverwacht dat dit nu al kan. We hadden eigenlijk verwacht dat het pas in 2025 mogelijk zou zijn.’
Het higgsverval naar muonen is namelijk lastig te meten doordat muonen een stuk lichter zijn dan de deeltjes uit de derde generatie. Daardoor hebben ze ook minder interactie met het higgsdeeltje en vervalt een higgsdeeltje minder snel naar muonen.
Daarnaast vinden er andere vervallen plaats in de detectoren die muonen opleveren. Slechts 0,02 procent van de gemeten muonparen komt van een higgsverval.
Blekman: ‘Dat de metingen nu al gelukt is, is onder andere te danken aan slimme analysetechnieken. Voor dit resultaat is heel agressief met moderne kunstmatige-intelligentie-technieken gewerkt. De zogeheten deep neural networks in deze analyse maken een groot verschil. Die gebruiken we om het gemeten signaal te voorspellen en ook om de achtergrond, en de onzekerheden op de achtergrond, te controleren.’
