Het ATLAS-experiment op CERN heeft voor het eerst echt gemeten hoe lang een higgsdeeltje bestaat, voordat het uit elkaar valt. De meting is woensdag gepresenteerd op een conferentie in Pisa, door Nikhef-promovendus Michiel Veen.
“Dit is groot”, zegt Nikhef-onderzoeker Ivo van Vulpen, verbonden aan ATLAS. “De levensduur is een cruciaal gegeven over het higgsdeeltje. De meting vertelt of we voldoende begrijpen hoe het deeltje vervalt of dat we misschien nog iets over het hoofd zien.”
De meting is het resultaat van een ingewikkelde analyse van alle higgsdeeltjes die ATLAS tot nog toe met de detector heeft waargenomen bij botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN. De levensduur wordt afgeleid uit de breedte van de piek van vervalproducten die de onderzoekers zien bij een bepaalde massa, de zogeheten width.
Niet scherp
Het higgsdeeltje werd na decennia zoeken in 2012 op CERN aangetoond door ondermeer ATLAS. Het deeltje bewijst het bestaan van een veld dat alle elementaire deeltjes massa geeft, via het zogeheten Higgs-mechanisme. Veel eigenschappen van het higgsdeeltje zijn inmiddels bekend, zoals massa en spin, maar de levensduur was nog niet scherp in beeld.
Het higgsdeeltje zelf heeft een massa van 125 GeV, ongeveer honderdvijftig maal de massa van een waterstofkern. De higgsbreedte is met 4.6 MeV een ragfijn piekje in de metingen. Deze breedte komt overeen met een gemiddelde levensduur van ongeveer 1,8 maal 10 tot de macht min 22 seconde. In die ultrakorte tijd vervallen de meeste higgsdeeltjes naar twee Z-bosonen, die zelf snel weer verder vervallen naar muonen of neutrino’s die in de detector worden gezien.
Standaardmodel
De nu gemeten breedte duidt niet op het verval van higgsdeeltjes naar onbekende deeltjes. De uitkomst is binnen de onzekerheid in overeenstemming met de 4.1 MeV (1,62 10^-22 seconde) die het Standaardmodel voorspelt aan de hand van alle bekende vervalsprocessen. “Maar dat moet je wel weten te meten voor je het zeker weet”, zegt Van Vulpen, die promotor is van Michiel Veen met co-promotores Hella Snoek en theoreticus Wouter Waalewijn van Nikhef.
De ATLAS-meting komt ook overeen met de breedte van 3.6 MeV die het concurrerende CMS-experiment op CERN enkele weken geleden publiceerde. Dat resultaat werd toen in het tijdschrift Nature gepubliceerd en vormde de allereerste concrete meting ooit van de levensduur van de higgs.
Daarvoor wisten experimenten als ATLAS en CMS alleen schattingen te maken van de maximale levensduur van de higgs, vaak tientallen keren de breedte die het standaardmodel voorspelt. Daardoor was er geen uitsluitsel te geven of de echte breedte eventueel afweek van de voorspelling.
Huzarenstukje
De analyses die nodig zijn om de levenduur van de higgs te vinden is een analytisch huzarenstukje. De breedte van de higgspiek zelf is te meten, maar die wordt vertekend door meetfouten. Om die te omzeilen wordt tegelijk ook naar de flanken van de piek gekeken. Dat moet indirect, via subtiele quantumeffecten, omdat andere processen anders nog te veel achtergrondruis geven. “Het is een analyse op het randje”, noemt Van Vulpen het.
Michiel Veen, tegenwoordig post-doc voor een Amerikaanse universiteit op CERN, bekeek een van de twee mogelijke higgsvervallen naar Z-deeltjes, naar twee muonen en twee neutrino’s. Samen met werk van een groep die het verval naar vier muonen bestudeerde, geeft dat de eerste concrete meting van ATLAS van de higgsbreedte.
Verdere metingen met de LHC in de komende jaren zal de onzekerheid in de gevonden levensduur van de higgs uiteindelijk nog halveren, verwacht Van Vulpen. Dat daarbij alsnog onbekende vervalskanalen worden gevonden, noemt hij niet erg waarschijnlijk, maar ook niet uit te sluiten.
