Noot van de redactie: op 8 oktober 2013 wonnen Peter Higgs en Francois Englert de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk aan het Higgs-boson. Hieronder legt onze wetenschapskolomist Brian Greene de wetenschap achter de ontdekking uit.
Van dit verhaal
[×] SLUITEN
De ATLAS-detector, een van de twee experimenten om het ongrijpbare Higgs-boson in deeltjessmashups te spotten bij CERN's Large Hadron Collider, weegt wel honderd 747 jets en herbergt meer dan 1800 km kabel. (Claudia Marcelloni / CERN) 
De Compact Muon-solenoïde bij de Large Hadron Collider vangt deeltjes in de handeling. (Michael Hoch / CERN) 
Terug naar de tekentafel: natuurkundige Peter Higgs krabbelt zijn beroemde vergelijking over de bron van een deeltjesmassa. Het zou een halve eeuw duren om waar te zijn. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Het team werkt met de ATLAS-detector, een van de twee experimenten om het ongrijpbare Higgs-boson te ontdekken in deeltjessmashups. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Vóór de installatie woonden delen van de CMS-detector in een schoonmaakruimte op CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
De magneet in de CMS-detector produceert een magnetisch veld dat 100.000 keer zo sterk is als dat van de aarde. (Gobin / CERN) 
Een close-up van de CMS-detector - een van de twee experimenten om handtekeningen van het Higgs-boson te detecteren. (Gobin / CERN) 
Hoewel het Higgs-boson te kort lijkt om direct te worden gedetecteerd, kunnen fysici bij CMS het bestaan ervan afleiden door de stortingen van deeltjes die achterblijven na proton-protonbotsingen te bestuderen. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Fotogallerij
gerelateerde inhoud
- Kunst en wetenschap komen samen in de Discovery of the Higgs Boson
Een beroemd verhaal in de annalen van de natuurkunde vertelt over een 5-jarige Albert Einstein, ziek in bed, die een speelgoedkompas van zijn vader ontvangt. De jongen was zowel verbaasd als gebiologeerd door de onzichtbare krachten op het werk, en stuurde de kompasnaald om naar het noorden te wijzen wanneer zijn rustpositie werd verstoord. Die ervaring, zou Einstein later zeggen, overtuigde hem dat er een diep verborgen orde in de natuur was en dwong hem zijn leven door te brengen met het proberen te onthullen.
Hoewel het verhaal meer dan een eeuw oud is, resoneert de raadselachtige jonge Einstein die wordt aangetroffen met een belangrijk thema in de hedendaagse fysica, een die essentieel is voor de belangrijkste experimentele prestatie op het gebied van de afgelopen 50 jaar: de ontdekking, een jaar geleden in juli, van het Higgs-boson.
Laat het me uitleggen.
Wetenschap in het algemeen, en natuurkunde in het bijzonder, zoeken patronen. Trek een veer twee keer zo ver uit en voel twee keer de weerstand. Een patroon. Verhoog het volume dat een object inneemt terwijl de massa vast blijft, en hoe hoger het in water drijft. Een patroon. Door patronen zorgvuldig te observeren, ontdekken onderzoekers fysische wetten die kunnen worden uitgedrukt in de taal van wiskundige vergelijkingen.
Een duidelijk patroon is ook duidelijk in het geval van een kompas: verplaats het en de naald wijst weer naar het noorden. Ik kan me een jonge Einstein voorstellen die denkt dat er een algemene wet moet zijn die bepaalt dat zwevende metalen naalden naar het noorden worden geduwd. Maar zo'n wet bestaat niet. Wanneer er een magnetisch veld in een gebied is, ondervinden bepaalde metalen objecten een kracht die ze in de richting van het veld uitlijnt, wat die richting ook is. En het magnetische veld van de aarde wijst toevallig naar het noorden.
Het voorbeeld is eenvoudig maar de les diepgaand. De patronen van de natuur weerspiegelen soms twee met elkaar verweven kenmerken: fundamentele fysische wetten en omgevingsinvloeden. Het is de natuurversie van natuur versus opvoeding. In het geval van een kompas is het niet moeilijk om de twee te ontwarren. Door het met een magneet te manipuleren, concludeert u meteen dat de oriëntatie van de magneet de richting van de naald bepaalt. Maar er kunnen andere situaties zijn waarin omgevingsinvloeden zo doordringend zijn, en zo buiten ons vermogen om te manipuleren, het veel uitdagender zou zijn om hun invloed te herkennen.
Natuurkundigen vertellen een gelijkenis over vissen die de natuurwetten onderzoeken, maar zo gewend aan hun waterige wereld dat ze de invloed ervan niet overwegen. De vissen worstelen krachtig om het zachte slingeren van planten en hun eigen motoriek te verklaren. De wetten die ze uiteindelijk vinden, zijn complex en log. Dan heeft een briljante vis een doorbraak. Misschien weerspiegelt de complexiteit eenvoudige fundamentele wetten die zich voordoen in een complexe omgeving - een die is gevuld met een stroperige, niet-samendrukbare en doordringende vloeistof: de oceaan. In het begin wordt de inzichtelijke vis genegeerd, zelfs bespot. Maar langzaam realiseren de anderen zich ook dat hun omgeving, ondanks de vertrouwdheid, een significante invloed heeft op alles wat ze waarnemen.
Snijdt de gelijkenis dichter bij huis dan we misschien dachten? Zouden er andere, subtiele maar doordringende kenmerken van de omgeving zijn die we tot nu toe niet goed begrepen hebben? De ontdekking van het Higgs-deeltje door de Large Hadron Collider in Genève heeft natuurkundigen ervan overtuigd dat het antwoord een volmondig ja is.
Bijna een halve eeuw geleden probeerden Peter Higgs en een handvol andere natuurkundigen de oorsprong van een elementaire fysieke eigenschap te begrijpen: massa. Je kunt massa beschouwen als het gewicht van een object of, iets preciezer, als de weerstand die het biedt om zijn beweging te laten veranderen. Duw op een goederentrein (of een veer) om de snelheid te verhogen en de weerstand die u voelt, weerspiegelt de massa. Op microscopisch niveau is de massa van de goederentrein afkomstig van de samenstellende moleculen en atomen, die zelf zijn opgebouwd uit fundamentele deeltjes, elektronen en quarks. Maar waar komen de massa's van deze en andere fundamentele deeltjes vandaan?
Toen natuurkundigen in de jaren zestig het gedrag van deze deeltjes modelleerden met behulp van vergelijkingen in de kwantumfysica, kwamen ze een puzzel tegen. Als ze zich verbeeldden dat de deeltjes allemaal massaloos waren, klikte elke term in de vergelijkingen in een perfect symmetrisch patroon, zoals de uiteinden van een perfecte sneeuwvlok. En deze symmetrie was niet alleen wiskundig elegant. Het verklaarde patronen duidelijk in de experimentele gegevens. Maar - en hier is de puzzel - natuurkundigen wisten dat de deeltjes massa hadden, en toen ze de vergelijkingen wijzigden om dit feit te verklaren, werd de wiskundige harmonie bedorven. De vergelijkingen werden complex en log en, erger nog, inconsistent.
Wat te doen? Dit is het idee van Higgs. Schuif de deeltjesmassa niet in de keel van de mooie vergelijkingen. Houd in plaats daarvan de vergelijkingen ongerept en symmetrisch, maar beschouw ze als werkend in een bijzondere omgeving. Stel je voor dat alle ruimte uniform gevuld is met een onzichtbare substantie - nu het Higgs-veld genoemd - die een sleepkracht op deeltjes uitoefent wanneer ze erdoorheen versnellen. Druk op een fundamenteel deeltje in een poging om de snelheid ervan te verhogen en volgens Higgs zou je deze sleepkracht als een weerstand voelen. Terecht zou je de weerstand interpreteren als de massa van het deeltje. Denk eens aan een pingpongbal die onder water ligt. Wanneer je op de pingpongbal duwt, zal deze veel massiever aanvoelen dan buiten water. De interactie met de waterige omgeving heeft het effect dat het massa krijgt. Dus met deeltjes ondergedompeld in het Higgs-veld.
In 1964 diende Higgs een paper in bij een vooraanstaand natuurkundig tijdschrift waarin hij dit idee wiskundig formuleerde. Het papier werd afgewezen. Niet omdat het een technische fout bevatte, maar omdat het uitgangspunt van een onzichtbaar iets dat de ruimte doordringt, interactie aangaat met deeltjes om hun massa te verschaffen, nou, het leek allemaal gewoon enorm veel speculaties. De redactie van het tijdschrift vond het "van geen duidelijke relevantie voor de natuurkunde."
Maar Higgs hield stand (en zijn herziene artikel verscheen later dat jaar in een ander tijdschrift), en natuurkundigen die de tijd namen om het voorstel te bestuderen, realiseerden zich geleidelijk dat zijn idee een geniaal idee was, waardoor ze hun cake konden krijgen en het ook konden eten . In het schema van Higgs kunnen de fundamentele vergelijkingen hun oorspronkelijke vorm behouden, omdat het vuile werk van het leveren van de deeltjesmassa wordt verbannen naar de omgeving.
Hoewel ik er niet was om getuige te zijn van de eerste afwijzing van het voorstel van Higgs in 1964 (wel, ik was er wel, maar nauwelijks), kan ik bevestigen dat de beoordeling halverwege de jaren tachtig was veranderd. De natuurkundegemeenschap had grotendeels het idee overgenomen dat er een Higgs-veld doordrong in de ruimte. In feite volgde ik in een graduate cursus die bekend staat als het standaardmodel van deeltjesfysica (de kwantumvergelijkingen die fysici hebben verzameld om de deeltjes materie en de dominante krachten te beschrijven waardoor ze elkaar beïnvloeden), presenteerde de professor de Higgs veld met zoveel zekerheid dat ik lange tijd geen idee had dat het nog experimenteel moest worden vastgesteld. Soms gebeurt dat in de natuurkunde. Wiskundige vergelijkingen vertellen soms zo'n overtuigend verhaal dat ze de realiteit schijnbaar zo sterk uitstralen dat ze diep geworteld raken in de volkstaal van werkende fysici, zelfs voordat er gegevens zijn om ze te bevestigen.
Maar het is alleen met gegevens dat een link naar de realiteit kan worden gesmeed. Hoe kunnen we testen voor het Higgs-veld? Dit is waar de Large Hadron Collider (LHC) binnenkomt. Hinderend honderden meters onder Genève, Zwitserland, de Franse grens over en weer terug, is de LHC een bijna 17-mijl lange cirkelvormige tunnel die dient als een racebaan voor stukjes materie tegen elkaar slaan. De LHC is omgeven door ongeveer 9.000 supergeleidende magneten en is de thuisbasis van stromende hordes protonen, die in beide richtingen door de tunnel fietsen, die de magneten versnellen om de snelheid van het licht te schuwen. Bij dergelijke snelheden slaan de protonen ongeveer 11.000 keer per seconde door de tunnel, en wanneer ze door de magneten worden aangestuurd, treden ze in een oogwenk op miljoenen botsingen. De botsingen produceren op hun beurt vuurwerkachtige sprays van deeltjes die door mammoetdetectors worden vastgelegd en vastgelegd.
Een van de belangrijkste redenen voor de LHC, die ongeveer $ 10 miljard kostte en waarbij duizenden wetenschappers uit tientallen landen betrokken waren, was het zoeken naar bewijsmateriaal voor het Higgs-veld. De wiskunde toonde aan dat als het idee klopt, als we echt worden ondergedompeld in een oceaan van Higgs-veld, de gewelddadige deeltjesbotsingen het veld moeten kunnen schudden, net zoals twee botsende onderzeeërs het water om hen heen zouden schudden. En om de zoveel tijd moet het schudden precies goed zijn om een stipje van het veld af te vegen - een kleine druppel van de Higgs-oceaan - die eruit zou zien als het lang gezochte Higgs-deeltje.
De berekeningen toonden ook aan dat het Higgs-deeltje onstabiel zou zijn en in een minuscule fractie van een seconde in andere deeltjes zou uiteenvallen. Binnen de maalstroom van botsende deeltjes en golvende wolken van deeltjesvormig puin, zouden wetenschappers gewapend met krachtige computers op zoek gaan naar de vingerafdruk van de Higgs - een patroon van vervalproducten bepaald door de vergelijkingen.
In de vroege ochtenduren van 4 juli 2012 verzamelde ik me met ongeveer 20 andere stalwarts in een vergaderruimte in het Aspen Centre for Physics om de livestream van een persconferentie in de Large Hadron Collider-faciliteiten in Genève te bekijken. Ongeveer zes maanden eerder hadden twee onafhankelijke teams van onderzoekers belast met het verzamelen en analyseren van de LHC-gegevens een sterke indicatie aangekondigd dat het Higgs-deeltje was gevonden. Het gerucht dat nu rond de natuurkundegemeenschap vliegt, was dat de teams eindelijk voldoende bewijs hadden om een definitieve claim in te dienen. In combinatie met het feit dat aan Peter Higgs zelf was gevraagd om de reis naar Genève te maken, was er voldoende motivatie om na 3 uur op te blijven om de aankondiging live te horen.
En toen de wereld snel kwam leren, was het bewijs dat het Higgs-deeltje was ontdekt sterk genoeg om de drempel van ontdekking te overschrijden. Nu het Higgs-deeltje nu officieel is gevonden, brak het publiek in Genève uit in wild applaus, net als onze kleine groep in Aspen, en ongetwijfeld tientallen soortgelijke bijeenkomsten over de hele wereld. Peter Higgs veegde een traan weg.
Met een jaar achteraf bekeken en aanvullende gegevens die alleen hebben gediend om de zaak voor de Higgs sterker te maken, zou ik hier de belangrijkste implicaties van de ontdekking samenvatten.
Ten eerste weten we al lang dat er onzichtbare bewoners in de ruimte zijn. Radio- en televisiegolven. Het magnetisch veld van de aarde. Zwaartekrachtvelden. Maar geen van deze is permanent. Niets is onveranderlijk. Niemand is uniform aanwezig in het universum. In dit opzicht is het Higgs-veld fundamenteel anders. Wij geloven dat de waarde ervan op aarde hetzelfde is als in de buurt van Saturnus, in de Orionnevels, in de Andromeda-melkweg en overal elders. Voor zover we weten, is het Higgs-veld onuitwisbaar op het ruimtelijke weefsel gedrukt.
Ten tweede vertegenwoordigt het Higgs-deeltje een nieuwe vorm van materie, waarop al decennia lang werd geanticipeerd maar nog nooit was gezien. Aan het begin van de 20e eeuw realiseerden natuurkundigen zich dat deeltjes, naast hun massa en elektrische lading, een derde kenmerk hebben: hun spin. Maar in tegenstelling tot de top van een kind, is de spin van een deeltje een intrinsieke eigenschap die niet verandert; het versnelt of vertraagt niet na verloop van tijd. Elektronen en quarks hebben allemaal dezelfde spinwaarde, terwijl de spin van fotonen - lichtdeeltjes - twee keer die van elektronen en quarks is. De vergelijkingen die het Higgs-deeltje beschrijven, toonden aan dat het - anders dan alle andere fundamentele deeltjessoorten - helemaal geen spin had moeten hebben. Gegevens van de Large Hadron Collider hebben dit nu bevestigd.
Het vaststellen van het bestaan van een nieuwe vorm van materie is een zeldzame prestatie, maar het resultaat heeft weerklank in een ander veld: kosmologie, de wetenschappelijke studie van hoe het hele universum begon en zich ontwikkelde tot de vorm waarvan we nu getuige zijn. Jarenlang werden kosmologen die de Big Bang-theorie bestudeerden, belemmerd. Ze hadden een robuuste beschrijving samengesteld van hoe het universum zich ontwikkelde vanaf een fractie van een seconde na het begin, maar ze waren niet in staat om enig inzicht te geven in wat de ruimte dreef om zich in de eerste plaats uit te breiden. Welke kracht had zo'n krachtige uiterlijke duw kunnen uitoefenen? Ondanks al zijn succes liet de Big Bang-theorie de knal buiten beschouwing.
In de jaren tachtig werd een mogelijke oplossing ontdekt, een die een luide Higgs-bel doet rinkelen. Als een gebied in de ruimte uniform wordt doorspekt met een veld waarvan de deeltjes niet-spinvormig zijn, dan onthult Einsteins zwaartekrachttheorie (de algemene relativiteitstheorie) dat een krachtige afstotende kracht kan worden gegenereerd - een knal en een grote. Berekeningen toonden aan dat het moeilijk was om dit idee te realiseren met het Higgs-veld zelf; de dubbele plicht van het verschaffen van deeltjesmassa's en het voeden van de knal blijkt een aanzienlijke last te zijn. Maar inzichtrijke wetenschappers realiseerden zich dat door een tweede "Higgs-achtig" veld te positioneren (met dezelfde verdwijnende spin, maar verschillende massa en interacties), ze de last konden splitsen - een veld voor massa en het andere voor de afstotende duw - en een dwingende verklaring van de knal. Daarom onderzoeken theoretische fysici al meer dan 30 jaar krachtig kosmologische theorieën waarin dergelijke Higgs-achtige velden een essentiële rol spelen. Duizenden tijdschriftartikelen zijn geschreven om deze ideeën te ontwikkelen, en miljarden dollars zijn uitgegeven aan observaties in de diepe ruimte die indirecte bewijzen zoeken en vinden dat deze theorieën ons universum nauwkeurig beschrijven. De bevestiging van de LHC dat ten minste een dergelijk veld daadwerkelijk bestaat, plaatst dus een generatie van kosmologische theorieën op een veel stevigere basis.
Ten slotte, en misschien wel het belangrijkste, is de ontdekking van het Higgs-deeltje een verbazingwekkende triomf van de kracht van de wiskunde om de werking van het universum te onthullen. Het is een verhaal dat meerdere keren in de natuurkunde is samengevat, maar elk nieuw voorbeeld opwindt net hetzelfde. De mogelijkheid van zwarte gaten bleek uit de wiskundige analyses van de Duitse natuurkundige Karl Schwarzchild; latere waarnemingen toonden aan dat zwarte gaten echt zijn. Big Bang-kosmologie is voortgekomen uit de wiskundige analyses van Alexander Friedmann en ook Georges Lemaître; latere observaties bewezen dit inzicht ook correct. Het concept van anti-materie ontstond eerst uit de wiskundige analyses van kwantumfysicus Paul Dirac; latere experimenten toonden aan dat ook dit idee klopt. Deze voorbeelden geven een idee van wat de grote wiskundige natuurkundige Eugene Wigner bedoelde toen hij sprak over de 'onredelijke effectiviteit van wiskunde bij het beschrijven van het fysieke universum'. Het Higgs-veld is voortgekomen uit wiskundige studies die een mechanisme zochten om deeltjes massa te geven. En opnieuw is de wiskunde met vlag en wimpel doorgekomen.
Als theoretisch fysicus zelf, een van de velen toegewijd aan het vinden van wat Einstein de 'verenigde theorie' noemde - de diep verborgen verbanden tussen alle krachten en materie van de natuur waar Einstein van droomde, lang nadat hij was verslaafd aan fysica door de mysterieuze werking van het kompas - de ontdekking van de Higgs is bijzonder verheugend. Ons werk wordt aangedreven door wiskunde en heeft tot nu toe geen contact gemaakt met experimentele gegevens. We wachten vol spanning op 2015 wanneer een opgewaardeerde en nog krachtigere LHC weer wordt ingeschakeld, omdat de kans groot is dat de nieuwe gegevens het bewijs leveren dat onze theorieën de goede kant opgaan. Belangrijke mijlpalen zouden de ontdekking zijn van een klasse tot nu toe ongeziene deeltjes ("supersymmetrische" deeltjes genoemd) die onze vergelijkingen voorspellen, of aanwijzingen van de wilde mogelijkheid van ruimtelijke dimensies voorbij de drie die we allemaal ervaren. Nog spannender zou de ontdekking zijn van iets geheel onverwachts, waardoor we allemaal terug naar ons schoolbord zouden rennen.
Velen van ons proberen al 30 jaar deze wiskundige bergen op te schalen, sommige zelfs nog langer. Soms hebben we het gevoel gehad dat de verenigde theorie net buiten onze vingertoppen lag, terwijl we op andere momenten echt tasten in het donker. Het is een geweldige boost voor onze generatie om getuige te zijn van de bevestiging van de Higgs, om getuige te zijn van vier decennium oude wiskundige inzichten die zijn gerealiseerd als knallen en knetteren in de LHC-detectoren. Het herinnert ons eraan om de woorden van Nobelprijswinnaar Steven Weinberg ter harte te nemen: “Onze fout is niet dat we onze theorieën te serieus nemen, maar we nemen ze niet serieus genoeg. Het is altijd moeilijk om te beseffen dat deze getallen en vergelijkingen waarmee we aan onze bureaus spelen iets te maken hebben met de echte wereld. ”Soms hebben die getallen en vergelijkingen een griezelig, bijna griezelig vermogen om anders donkere hoeken van de werkelijkheid te verlichten. Als ze dat doen, komen we zo veel dichter bij het begrijpen van onze plaats in de kosmos.
