Een van de belangrijkste vragen uit de deeltjesfysica krijgt wellicht sneller een antwoord dan gedacht. Onderzoekers van Nikhef bij het ATLAS-experiment op CERN hebben een nieuwe analysemethode gedemonstreerd waardoor ze effectiever het antwoord kunnen vinden op de vraag hoe het Higgsdeeltje zichzelf ervaart. De waarde van deze zogenoemde Higgs-zelfkoppeling heeft gevolgen voor theorieën over de evolutie van het heelal en de vorming van materie.
De eerste resultaten met de nieuwe methode zijn woensdagmiddag door de ATLAS-collaboratie gepresenteerd op een Higgs-conferentie in Oxford, Engeland. De meting is tweemaal zo gevoelig als alle eerdere experimenten voor meting van de Higgs-zelfkoppeling. De studie wordt binnenkort online gepubliceerd.
Aan de hand van meetgegevens van ATLAS in de LHC-protonbotser in Genève wordt gedemonstreerd dat de nieuwe techniek net zo krachtig is als de bestaande methode waar deeltjesfysici al jarenlang hun hoop op gevestigd hebben. Omdat beide technieken gecombineerd kunnen worden betekent dit dat we veel eerder het antwoord zullen kunnen geven op die vraag over de Higgs zelf-koppeling.
De resultaten, die een belangrijke inbreng hebben van onderzoekers van het Nikhef in Amsterdam, gelden bij voorbaat als een van de hoogtepunten van de conferentie. ‘Dit is echt wel een duidelijke stap voorwaarts in ons veld’, zegt groepsleider Wouter Verkerke van ATLAS bij Nikhef. Een van de architecten van de nieuwe aanpak, Pamela Ferrari van Nikhef, bevestigt dat. ‘Dit resultaat overtreft echt ieders verwachtingen, ook de onze.’
De klassieke methode om de Higgs-zelfkoppeling te meten is door bij protonbotsingen in de LHC-versneller te zoeken naar twee Higgsdeeltjes die tegelijk ontstaan. Dat is een extreem zeldzaam proces, waardoor het lang duurt voor een voldoende statistische zekerheid is over een meetwaarde.
In de nieuwe methode, uitgevoerd door Ferrari en Nikhef-onderzoeker Bob van Eijk, wordt ook gekeken naar subtiele afwijkingen in het verval van individuele Higgsdeeltjes die bij de protonbotsingen in de LHC ontstaan. In theorie is ook daaruit een waarde voor de Higgs-zelfkoppeling te schatten. Ferrari en haar post-doc Stefano Manzoni gebruikten een bescheiden deel van de bestaande data voor een eerste schatting van de gezochte zelfkoppeling.
De gevonden waarde voor de Higgs-zelfkoppeling is 4,6 keer hoger dan in de standaardtheorie wordt verwacht, met een fout van plus of min 3. In het standaardgeval zou dit precies 1 moeten zijn. De onzekerheid is echter nog te groot om te bepalen of dit duidt op afwijkingen van het Standaardmodel van de deeltjes.
Verkerke voorziet dat met veel meer meetgegevens de Higgs-zelfkoppeling met de LHC-versneller in Genève voldoende nauwkeurig kan worden gemeten. ‘Deze eerste meting berust op minder dan de helft van de bestaande data. Met de rest van de data en nog betere analysestechnieken kunnen we over een paar jaar al exotische theorieën over zelfkoppeling te testen. Dat was met de huidige LHC-versneller lang ondenkbaar. En met de toekomstige intense bundels van de High Luminosity LHC op CERN wordt het nog veel preciezer.’
Ferrari benadrukt dat deze ontwikkelingen zijn ook belangrijk omdat ze de huidige discussies over eventuele nieuwe superversnellers na de LHC al snel meer richting kunnen geven.
Het Higgsdeeltje werd in 2012 tegelijk gevonden door de onderling concurrende ATLAS- en CMS-experimenten op CERN. Het deeltje hangt samen met het Higgsveld, een universele invloed die alle deeltjes hun specifieke massa vertelt. Het Higgsveld vult het hele universum, is daarbij het idee.
Dit mechanisme is in de jaren ’70 van de vorige eeuw bedacht door Peter Higgs en door Francois Englert en wijlen Robert Brout. Een jaar na de vondst ervan kregen Higgs en Englert de Nobelprijs 2013 voor hun voorspelling van het Higgsdeeltje.
Onderzoekers zijn zeer geïnteresseerd in dat Higgsveld omdat de exacte vorm daarvan bepaalt hoe na de oerknal materie massa kreeg en hoe het heelal zo uitdijt. De diverse theorieën daarvoor voorspellen uiteenlopende waardes voor de zelfkoppeling. Experimenten in de LHC kunnen daardoor in principe al theoretische kaf van het koren scheiden.
In de beschrijving van dat Higgsveld is de massa van het Higgsdeeltje een belangrijke grootheid, maar zijn er nog meer grootheden van belang. Een daarvan is de gezochte Higgs-zelfkoppeling.
