Een geavanceerde zoektocht naar de ultra-zeldzame transformatie van het Higgs-deeltje heeft resultaten opgeleverd, die de eerste aanwijzingen geven van een proces dat zou kunnen duiden op onbekende deeltjes.
Door de resultaten van jarenlange protonbotsingen in twee verschillende detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) met elkaar te verzoenen, hebben natuurkundigen de statistische precisie vergroot van de snelheid waarmee de beroemde “massa-afgifte” . deeltje vervalt in een foton en een Z-boson.
De resultaten, die vorige week op de LHC Physics-conferentie in Belgrado werden gedeeld, blijven ver achter bij wat als significant kan worden beschouwd. Maar het proces zelf kan worden verfijnd om de bubbel en het gesis van kwantumrecepten aan te scherpen en te helpen identificeren waar exotische nieuwe krachten en bouwstenen kunnen bestaan.
Het Higgs-deeltje werd een lieveling van de natuurkundige wereld in 2012 toen het bewijs van zijn bestaan werd bevestigd door de ATLAS (of ‘A Toroidal LHC Apparatus’) en CMS (Compact Muon Solenoid) sondes op CERN.
Het was niet alleen de laatste inzending in deze grote kaart van deeltjes – het standaardmodel – die experimenteel moest worden bevestigd. zijn observatie beloofde een venster te zijn naar verborgen delen van het kwantumrijk.
Voor het grootste deel betekent de wetenschap dat het Higgs-deeltje en het bijbehorende veld bestaan, dat we nu begrijpen waarom fundamentele deeltjes massa hebben.
Aangezien energie en massa verschillende manieren zijn om hetzelfde soort ding te beschrijven, draagt de inspanning die nodig is om grote, omvangrijke objecten (zoals atomen, moleculen en olifanten) bij elkaar te houden, voor een aanzienlijk percentage bij aan de massa van het object.
Op kleinere schaal verklaart de inspanning die meer fundamentele objecten zoals elektronen of quarks nodig hebben om het Higgs-veld binnen te gaan, waarom ze een rustmassa hebben en waarom deeltjes zoals fotonen dat niet hebben.
De ongebruikelijke aard van het veld en het bruisende bosonschuim maken het echter een ideale kandidaat voor het zoeken naar tekenen van hypothetische kwantumvelden en verwante deeltjes die normaal niet op meer voor de hand liggende manieren bekend zouden zijn.
“Elk deeltje heeft een speciale relatie met het Higgs-deeltje, waardoor de zoektocht naar zeldzame Higgs-verval een hoge prioriteit heeft”, zegt CERN’s ATLAS-experimentfysica-coördinator Pamela Ferrari.
Het verval van een deeltje is als de dood van een duif tussen wolkenkrabbers – het gebeurt de hele tijd, vaak op verschillende manieren, maar je zou het geluk hebben om meer dan een paar fladderende veren te vangen als bewijs van zijn ondergang.
Gelukkig kunnen natuurkundigen, door al deze “veren” in het stof van een versneller te tellen, een beeld vormen van de verschillende manieren waarop deeltjes instorten en vluchtig weer verschijnen in nieuwe dingen.
Sommige van deze vervalsingen komen relatief vaak voor, maar voor het Higgs-deeltje zijn transformaties in een foton en het Z-boson met zwakke kernkracht op korte afstand ongeveer een gebeurtenis van één op de duizend. Of, zoals voorspeld in de handboeken, ongeveer 0,15 procent van alle Higgs vervalt.
Maar dit is precies wat het Standaard Model voorschrijft dat we mogen verwachten. Hoe verbazingwekkend inzichtelijk deze grootse theorie ook is, we weten dat het op een gegeven moment moet mislukken, omdat het niet veel te zeggen heeft over donkere energie die zich door de ruimte uitstrekt of ruimte en tijd vervormt op een zwaartekrachtachtige manier.
Elke afwijking van dit schema zou kunnen worden gebruikt om alternatieve modellen te ondersteunen die misschien net genoeg ruimte laten om storende gebeurtenissen op te vangen.
Weten hoe we het beste natuurkundige model dat we ooit hebben gehad, kunnen verbeteren, betekent een aantal anomalieën vinden die het momenteel niet kan verklaren. Zoals exotische velden en deeltjes die subtiele en zeldzame acties uitvoeren die we normaal niet zouden opmerken.
“Het bestaan van nieuwe deeltjes kan zeer belangrijke implicaties hebben voor de zeldzame Higgs-vervalmodi”, zegt Florencia Canelli, natuurkundig coördinator van CERN’s andere detector, CMS.
Voorlopig zijn deze ongrijpbare eenhoorndeeltjes net zo mythisch als altijd. De resultaten komen tot nu toe ongeveer overeen met wat het Standaardmodel voorspelt.
Er zijn echter slechts voldoende gegevens om natuurkundigen een matig vertrouwen te geven dat de resultaten correct zijn. Langere runs, misschien met behulp van betere technologie, kunnen kleine verschillen aan het licht brengen die een groot venster naar een geheel nieuwe reeks theorieën verbergen.
“Deze studie is een krachtige test van het standaardmodel”, zegt Canelli.
“Met de aan de gang zijnde derde run van de LHC en de toekomstige High Luminosity LHC, zullen we de nauwkeurigheid van deze test kunnen verbeteren en steeds zeldzamer Higgs-verval kunnen detecteren.”
