Peter Higgs, die zijn naam gaf aan het subatomaire deeltje dat bekend staat als het Higgs boson, is op 94-jarige leeftijd overleden. Hij was altijd een bescheiden man, zeker als je bedenkt dat hij een van de groten van de deeltjesfysica was – het wetenschapsgebied dat zich bezighoudt met de bouwstenen van materie.
In 1964, een paar jaar na zijn aankomst uit Londen om een baan aan te nemen aan de Universiteit van Edinburgh, las Higgs een artikel van de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Philip Anderson. In die tijd hadden natuurkundigen nog geen theorie over hoe subatomaire deeltjes aan hun massa kwamen. (Massa kan worden omschreven als de totale hoeveelheid materie in een voorwerp, terwijl gewicht de zwaartekracht is die op een voorwerp werkt).
Anderson’s artikel toonde aan dat deeltjes massa kunnen hebben. Wanneer een systeem in de natuurkunde – zoals twee verschillende subatomaire deeltjes – verandert, beschrijven natuurkundigen het soms als een systeem met “gebroken symmetrie”. Dit kan leiden tot het ontstaan van nieuwe eigenschappen.
Tijdens een wandeling in de Schotse Hooglanden kreeg Higgs het idee van zijn leven. Hij bedacht precies hoe hij de symmetriebreking waarover hij in Andersons artikel had gelezen, kon toepassen op een belangrijke groep deeltjes, de zogenaamde ijkbosonen. Het zou leiden tot een verklaring voor hoe de bouwstenen van materie hun massa krijgen.
Twee andere groepen natuurkundigen hadden rond dezelfde tijd hetzelfde idee: Robert Brout en François Englert in Brussel, en Carl Hagen, Gerald Guralnik en Tom Kibble aan het Imperial College in Londen.
Een nabeschouwing
Het belangrijkste onderscheidende kenmerk van de bijdrage van Higgs was dat hij, als bijzaak, het bestaan voorspelde van een nieuw massief deeltje dat overbleef van het proces dat hij had uitgewerkt in de Hooglanden. Dit deeltje zou later zijn naam dragen: het Higgs boson.
Ik geloof dat het altijd een beetje gênant was voor Higgs dat dit symmetrie-brekende mechanisme soms werd afgekort tot het “Higgs mechanisme”. Hij was er altijd snel bij om te wijzen op de bijdrage van alle anderen en gaf de voorkeur aan de term: “Anderson-Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble mechanisme”.
In de volgende decennia werd het duidelijk hoe belangrijk de bijdrage van deze wetenschappers aan ons begrip van de deeltjesfysica was – niet in de laatste plaats omdat het deeltje dat naar Higgs was genoemd zo ongrijpbaar bleek te zijn. Er werden verschillende machines gebouwd, de zogenaamde deeltjesbotsers, om de grenzen van onze natuurkundige kennis af te tasten.
Ze onderzochten en testten de meest geaccepteerde theorie om te verklaren hoe fundamentele deeltjes (de deeltjes die niet kunnen worden opgesplitst in andere deeltjes) en krachten op elkaar inwerken: het Standaard Model. En het Standaard Model bleek onder bijna alle omstandigheden te kloppen. Het enige ontbrekende ingrediënt, dat nog niet was ontdekt door een deeltjesbotser, was het massieve deeltje dat door Higgs werd voorspeld.
De frustratie over hoe ongrijpbaar het Higgs boson bleek te zijn, bracht Nobelprijswinnaar Leon Lederman ertoe om het nog een andere naam te geven: het “Goddamn Particle”. Dit werd later afgekort tot het “God Particle”.
Het zou 48 jaar en de grootste machine ooit gemaakt, de Large Hadron Collider (LHC), duren om eindelijk bewijs te vinden dat Higgs en zijn collega’s gelijk hadden. Cern, de organisatie die de LHC beheert, kondigde op 4 juli 2012 aan dat natuurkundigen het deeltje vrijwel zeker hadden ontdekt.
Verdere experimenten bevestigden dat dit inderdaad het door Higgs voorspelde deeltje was. Maar toen in oktober 2013 de Nobelprijs voor natuurkunde bekend werd gemaakt, ging Higgs wandelen in plaats van bij de telefoon te blijven.
Een ‘vijfde kracht’ van de natuur
Het is nu meer dan tien jaar geleden sinds de ontdekking van het Higgs boson. Er is een groot verschil tussen alleen maar een theorie hebben waar (bijna) iedereen in gelooft en eindelijk het bewijs hebben dat het in feite een goede beschrijving van de natuur is.
Ik weet inderdaad niet zeker of we al helemaal begrijpen wat Higgs en zijn collega’s de wereld hebben gegeven. Het komt neer op de ontdekking van een nieuwe interactie tussen deeltjes die we nog niet eerder hadden gezien, de zogenaamde Yukawa-koppeling. Dit is in wezen een “vijfde natuurkracht” als aanvulling op de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht.
Er zijn echter nog veel meer vragen die opgelost moeten worden. Slechts 4% van het universum bestaat uit materie die we kunnen zien. De rest is donkere materie en donkere energie – maar we begrijpen de aard van geen van beide. Er is zelfs een theoretische berekening dat het Higgs boson cruciaal is voor de stabiliteit van het universum.
De Raad van Cern heeft net de voortgang beoordeeld van een haalbaarheidsstudie om een machine te bouwen die de Future Circular Collider wordt genoemd, die de LHC zal opvolgen en die, als hij wordt goedgekeurd, veel openstaande vragen over de aard van het universum zal proberen te beantwoorden. Ik weet al waar ik naar antwoorden wil zoeken in de gegevens van de collider: het Higgs boson.
Harald Fox ontvangt financiering van UKRI.
