D-Visions / Shutterstock
Peter Wade Higgs, een reus uit de deeltjesfysica, is op 8 april 2024 thuis in Edinburgh overleden, na 94 jaar te zijn geworden. Zijn ongeëvenaarde nalatenschap, belichaamd door de ontdekking van het Higgs boson, blijft de toekomst van de deeltjesfysica diepgaand vormgeven als geen andere ontdekking daarvoor. Dit is het verhaal van zijn nalatenschap.
Toen Higgs in 1929 werd geboren, was ons begrip van materie compleet anders. Natuurkundigen hadden een eenvoudig model van materie ontwikkeld met drie fundamentele, of elementaire, deeltjes (de deeltjes die niet kunnen worden opgesplitst in kleinere deeltjes).
Dit waren protonen, die bestaan in de kernen van atomen, elektronen, die de protonen omgeven en fotonen, pakketjes licht die verantwoordelijk zijn voor een natuurkracht die de elektromagnetische kracht wordt genoemd.
Tijdens Higgs’ leven zou zich een verbazingwekkende revolutie ontvouwen, die culmineerde in de creatie van het Standaard Model van de deeltjesfysica, het meest succesvolle raamwerk voor het begrijpen van de bouwstenen van het universum in de geschiedenis.
Higgs zou het hart van deze theorie leveren. Om het belang van Higgs’ werk te begrijpen, is het nodig om de puzzel te begrijpen die de natuur voor natuurkundigen heeft gelegd, beginnend met de ontdekking van het neutron in 1932.
Het neutron is een subatomair deeltje, een neutrale partner van het proton, maar iets zwaarder. Als het uit de atoomkern wordt gerukt, vervalt een neutron in ongeveer tien minuten in een proton en een elektron.
Om dit verval te verklaren was er een nieuwe kracht en een nieuw deeltje nodig (bekend als een krachtdrager). De nieuwe krachtdrager moest vele malen zwaarder zijn dan zowel het neutron als het proton, wat de heersende theorie niet kon verklaren.
Volgens deze theorie moesten krachtdragers massaloos zijn. Dit was het geval voor de krachtdrager voor de elektromagnetische kracht, het foton. Natuurkundigen noemen dit kenmerk van de theorie een symmetrie.
In de natuurkunde hebben theorieën met meer symmetrie minder vrije parameters – minder delen van de theorie die veranderd kunnen worden. Een extra parameter, zoals de massa van een krachtdrager, zou de theorie inconsistent maken.
Natuurkundigen wisten dat sommige deeltjes massa hadden, maar konden het niet verklaren. Ze moesten de juiste manier vinden om de symmetrie in deze theorie te doorbreken, of te overwinnen, door de deeltjes massa te geven op een manier die compatibel was met alles wat bekend was over de natuurwetten. Toen Higgs in de jaren zestig aan zijn ideeën begon te werken, was de vraag hoe elementaire deeltjes massa kregen een centraal thema in de natuurkunde.
Peter Higgs deelde in 2013 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn werk.
Henrik Montgomery / Shutterstock
In het begin van de jaren 1960 merkte de Amerikaanse natuurkundige Phil Anderson op dat de problematische symmetrie in deze theorie kon worden overwonnen in supergeleiders (een materiaal dat elektriciteit geleidt zonder weerstand) of in geladen gas dat plasma wordt genoemd. Voor een theorie die massa zou moeten verklaren, kon een haalbare oplossing echter niet afhankelijk zijn van een specifiek medium of materiaal.
Later ontwikkelden Higgs en andere theoretici een model dat deze moeilijkheid overwon. De andere natuurkundigen waren Gerald Guralnik, Carl Hagen, Tom Kibble, Robert Brout en François Englert. Englert zou in 2013 de Nobelprijs voor natuurkunde delen met Higgs.
Achteraf gezien was het idee eenvoudig: een achtergrondveld doordringt de hele ruimte en creëert het soort medium waarvoor Andersons idee werkte. Higgs publiceerde zijn eerste artikel over dit onderwerp in 1964. In 1966 voorspelde hij als eerste dat dit “Higgs-veld” ook een “Higgs-deeltje” moest bevatten. Als dat ontdekt zou worden, zou dat bewijzen dat het Standaard Model een consistente natuurtheorie was.
Toch bleek de zoektocht naar het Higgs boson een buitengewone uitdaging. Higgs zelf dacht dat de vraag niet tijdens zijn leven zou worden opgelost. Het kostte bijna 50 jaar en het grootste experiment ooit gebouwd, de Large Hadron Collider (LHC) in Cern, om uiteindelijk het Higgs boson te ontdekken. Op 4 juli 2012 gingen beelden van Higgs, tot tranen geroerd door de aankondiging, de wereld rond.
Het Standaardmodel van deeltjesfysica.
Alionaprof / Shutterstock
Ons universum wordt fundamenteel gevormd door de unieke eigenschappen van het Higgs boson. Net als de vaste, vloeibare en gasvormige toestanden van materie, komt het Higgs-veld overeen met een fase van het universum die kan worden bepaald door te meten hoe het Higgs-boson interageert met andere deeltjes.
In de tien jaar sinds zijn ontdekking zijn veel van deze interacties waargenomen bij de LHC. Deze resultaten hebben nieuwe vragen opgeroepen. De stabiliteit van het universum – het vermogen om min of meer eeuwig in zijn huidige staat te blijven – lijkt af te hangen van de massa en interacties van het Higgs boson.
Als de huidige metingen van dat deeltje correct zijn, is het universum niet stabiel in zijn huidige staat. Dit betekent dat het uiteindelijk een overgang naar een andere vorm zou kunnen ondergaan. De antwoorden die we op deze vraag krijgen, zouden kunnen aantonen dat het Standaardmodel niet klopt.
Natuurkundigen willen ook weten of het Higgs-veld echt alle massa’s van elementaire deeltjes verklaart zoals voorspeld door het Standaard Model. Voor veel Higgs bosonen die bij de LHC zijn geproduceerd, kunnen we niet achterhalen in welke andere deeltjes ze vervallen. Als we dat wel konden, zouden we meer speculatieve theorieën kunnen testen die verband houden met donkere materie of andere theorieën buiten het Standaard Model.
Om deze vragen te beantwoorden, hebben Europa, de VS en China plannen voorgesteld om nieuwe deeltjesbotsers te bouwen die gericht zijn op het bestuderen van het Higgs boson. De erfenis van Higgs zal het experimentele deeltjesfysicaprogramma van de 21e eeuw zijn.
Higgs was een natuurkundige uit een ander tijdperk. Het zou nu ondenkbaar zijn dat iemand met zijn publicatierecord in de academische wereld zou blijven. Hij publiceerde slechts een handvol artikelen, die bijna allemaal van zijn hand waren. De huidige academische cultuur zorgt voor hevige concurrentie en druk om vaak te publiceren.
Higgs erkende dit in een interview uit 2013: “Het is moeilijk voor te stellen hoe ik in het huidige soort klimaat ooit genoeg rust zou hebben om te doen wat ik in 1964 deed… Vandaag de dag zou ik geen academische baan krijgen… Ik denk niet dat ik als productief genoeg zou worden beschouwd.”
Dit moet worden beschouwd als een waarschuwing. Doorbraken vereisen tijd om werk op andere gebieden te lezen en te bestuderen, zoals de tijd die Higgs besteedde om het werk van Anderson te begrijpen. Ze vereisen dat universiteiten omgevingen creëren waarin tijd voor onderzoek prioriteit krijgt, in plaats van onderzoekers in een onzekere positie te plaatsen die afhankelijk is van het voortdurend zoeken naar subsidie.
Het zou heel passend zijn als de nalatenschap van Peter Higgs, die ons begrip van de deeltjesfysica heeft veranderd, ook onze benadering van onderzoek zou veranderen.
Martin Bauer werkt niet voor, voert geen advies uit over, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel, en heeft buiten zijn academische aanstelling geen relevante banden bekendgemaakt.
