Het higgsdeeltje werd in 2012 ontdekt, maar daarmee was het verhaal nog niet uit. Volgens de theorie geeft dit deeltje alle materiedeeltjes massa, maar tot nu toe is dat alleen aangetoond voor de zwaarste deeltjes. Nieuwe analyses van de ATLAS-detector bij de LHC-deeltjesversneller lijken erop te wijzen dat hetzelfde geldt voor het lichtere charmquarkdeeltje.
Om het higgsdeeltje en de rol ervan in de deeltjesfysica te begrijpen, is het belangrijk om te onderzoeken hoe het koppelt met materiedeeltjes. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica zorgt deze koppeling voor de massa’s van alle materiedeeltjes. Hoe zwaarder een deeltjes, hoe sterker de koppeling met het higgsdeeltje.
Maar het is mogelijk dat het standaardmodel niet compleet is. In theorie is het bijvoorbeeld mogelijk dat de minder zware deeltjes hun massa niet, of niet uitsluitend, te danken hebben aan het higgsdeeltje zoals dat in 2012 werd ontdekt. Om dit tot op de bodem uit te zoeken, meten fysici met de LHC-detectoren nauwkeurig wat er gebeurt met de higgsdeeltjes die ontstaan in de versneller.
Het higgsdeeltje en de tweede generatie
Er zijn drie ‘generaties’ materiedeeltjes. De eerste generatie bevat de upquark, de downquark en het elektron. Uit deze drie materiedeeltjes bestaan alle atomen om ons heen. De tweede en derde generatie zijn vergelijkbaar, maar zwaarder.
LHC-fysici hebben eerder aangetoond dat het higgsdeeltje koppelt met de topquark, de bottomquark en het taudeeltje. Het is dus zeker verantwoordelijk voor de massa van de derde, zwaarste generatie. En vorig jaar toonden zowel de ATLAS- als de CMS-detector bij de LHC aan dat het higgsdeeltje eveneens vervalt – en dus koppelt met – muonen, uit de tweede generatie.
Nu beginnen fysici ook inzicht te krijgen in de wisselwerking van het higgsdeeltje met een ander tweedegeneratiedeeltje: de charmquark. Hiervoor zochten ze in metingen van de ATLAS-detector naar higgsdeeltjes die vervallen naar twee charmquarks. Uit dit verval kunnen fysici afleiden hoe sterk het higgsdeeltje koppelt aan charmquarks – en of dit klopt met het standaardmodel.
Uit analyses van de ATLAS-metingen blijkt dat de koppeling van de charmquark met het higgsdeeltje niet meer dan 8,5 keer sterker kan zijn dan het standaardmodel voorspelt. Het is dus nog niet zeker dat de koppeling zich gedraagt zoals voorspeld. ‘Maar we hebben wel aangetoond dat er geen enorme afwijkingen kunnen zijn’, zegt Tristan du Pree, onderzoeker aan het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef en betrokken bij ATLAS. ‘Bovendien is dit de eerste keer dat we iets zinnigs kunnen zeggen over de koppeling van charmquarks met het higgsdeeltje.’
Lange adem
Het was niet eenvoudig om metingen te vinden van higgsdeeltjes die vervallen naar charmquarks. Doordat charmquarks veel lichter zijn dan de deeltjes uit de derde generatie, is de koppeling met het higgsdeeltje minder sterk. Daardoor is het verval waar ze naar zochten zeldzaam. ‘Slechts 3 procent van de higgsdeeltjes die in de LHC ontstaan, vervallen naar charmquarks’, vertelt Du Pree.
Bovendien zijn er andere deeltjesvervallen die lijken op charmquarks. Het was dus een hele klus om de metingen met charmquarks uit de enorme berg van ATLAS-metingen te vissen. Dit lukte dankzij een slimme analysemethode van Du Pree’s onderzoeksgroep.
‘Dit is echt een superresultaat’, laat hoogleraar deeltjesfysica Freya Blekman van de Vrije Universiteit Brussel en LHC-detector CMS weten. ‘Het is heel indrukwekkend wat ATLAS nu al kan. Het is duidelijk dat ze charmquarks uitstekend kunnen zien. Maar duidelijkheid over zo’n charmant verval van het higgsdeeltje ligt nog ver in de toekomst. Ik denk dat het nog vele jaren duurt voordat we werkelijk kunnen zien of het higgsdeeltje echt naar charmquarks vervalt zoals het standaardmodel voorspelt.’
Du Pree sluit zich daarbij aan: ‘Ik denk dat dit tegen 2040 duidelijk wordt.’ Na 2040 zal een volgende generatie deeltjesversnellers het stokje overnemen van de LHC. ‘Pas met die toekomstige versnellers verwacht ik dat we kunnen gaan testen of het higgsdeeltje ook koppelt met de lichtste deeltjesgeneratie.’ Het higgsverhaal vereist dus een lange adem.
