In een wetenschappelijk spookverhaal heeft een Amerikaanse atoomsmelter 3,5 jaar na zijn sluiting een belangrijke wetenschappelijke bijdrage geleverd. Wetenschappers melden dat de Tevatron-collider in Batavia, Illinois, nieuwe details heeft opgeleverd over de aard van het beroemde Higgs-boson – het deeltje dat de sleutel is tot de verklaring van natuurkundigen over hoe andere fundamentele deeltjes aan hun massa komen en het stukje in een theorie die het standaardmodel wordt genoemd. Het nieuwe resultaat bevestigt dat de Higgs, die in een andere atoomsplijter is ontdekt, precies past in de voorspellingen van het standaardmodel.
“Dit is een zeer interessant en belangrijk artikel, omdat het een ander mechanisme is” om de eigenschappen van de Higgs te onderzoeken, zegt John Ellis, een theoreticus aan King’s College London en CERN die niet bij het werk betrokken was. “
Het Tevatron, een 7 kilometer lange ringvormige botser in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, werkte van 1983 tot september 2011. Er werden aanwijzingen gevonden voor het Higgs boson, maar het deeltje werd nooit echt ontdekt. Die eer viel te beurt aan natuurkundigen die werken aan de Large Hadron Collider (LHC), een 27 kilometer lange atoomsplijter in het CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica in de buurt van Genève, Zwitserland. Zij maakten hun ontdekking in juli 2012 bekend.
Tegen de tijd dat de natuurkundigen van de LHC de Higgs hadden ontdekt, hadden ze de massa ervan al vastgesteld: 125 giga-elektronvolt, oftewel ruwweg 133 keer de massa van het proton. Maar het deeltje heeft ook andere karakteristieke eigenschappen. Zoals alle fundamentele deeltjes heeft de Higgs een vast en gekwantiseerd impulsmoment of spin. Het heeft ook een eigenschap van symmetrie die pariteit wordt genoemd, die even of oneven kan zijn en die bijvoorbeeld van invloed is op de manier waarop de Higgs in andere deeltjes kan vervallen. Volgens het standaardmodel zou de Higgs nul spin en positieve pariteit moeten hebben. Het is echter denkbaar dat het waargenomen deeltje nul spin en negatieve pariteit heeft of twee eenheden spin en positieve pariteit. Veel natuurkundigen zouden het fantastisch vinden als de Higgs zo’n exotische “spinpariteit” zou hebben, omdat dit zou wijzen op nieuwe verschijnselen die niet door het standaardmodel worden voorspeld.
In feite hebben experimentatoren die werken met de twee grootste deeltjesdetectoren die door de LHC worden gevoed – enorme apparaten genaamd ATLAS en CMS – al met grote zekerheid aangetoond dat het Higgs-boson nul spin en even pariteit heeft. Daartoe bestudeerden zij het verval van het Higgs-boson in bekende deeltjes, zoals een paar fotonen of een paar massieve deeltjes die Z-bosonen worden genoemd. Uit de hoekverdelingen van deze dochterdeeltjes konden de fysici de spin en pariteit van de moeder-Higgs bepalen.
Onderzoekers die met de Tevatron-gegevens werkten, pakten het anders aan. In plaats van het verval van de Higgs te bestuderen, zochten zij naar tekenen van een Higgs die was geproduceerd in combinatie met een Z-boson of een W-boson, deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen, zoals zij uitleggen in een artikel dat is gepubliceerd in Physical Review Letters. (Aangenomen werd dat de Higgs zou vervallen in een paar deeltjes die bekend staan als een bottom quark en een antibottom quark). Uit de energieën en impulsmomenten van de Higgs en zijn partner berekenden de onderzoekers vervolgens een grootheid die de invariante massa van het paar wordt genoemd. Als de Higgs en zijn partner zouden ontstaan uit het verval van een enkel ouder deeltje, dan zou deze grootheid de massa van die ouder zijn. In werkelijkheid zouden de Higgs en zijn partner direct uit de chaos van de deeltjesbotsing ontstaan, dus het moederdeeltje is puur hypothetisch.
Niettemin konden de onderzoekers, door de massa van dat hypothetische moederdeeltje te berekenen, bij benadering verschillende combinaties van spin en pariteit testen. Als de Higgs een “exotische” spin-pariteit zou hebben in plaats van de eigenschappen van het standaardmodel, zou de waargenomen invariante massa hoger zijn. Onderzoekers die werkten met de twee deeltjesdetectoren die door het Tevatron worden gevoed – CDF en D0 – zochten naar zulke hoge-invariante massaparen. Omdat ze er geen vonden, sloten ze nog exotischer versies van de Higgs uit. Dus ook al hebben de Tevatron-fysici het Higgs-boson nooit onomstotelijk kunnen waarnemen, ze konden wel grenzen stellen aan de eigenschappen ervan.
Technisch gezien zijn de nieuwe Tevatron-limieten iets sterker dan de limieten die door de LHC-experimenten zijn gesteld, zegt Dmitri Denisov, een fysicus bij Fermilab die aan D0 werkt. Maar Ellis van het CERN zegt dat ATLAS en CMS de zaak in wezen al hadden geregeld.
In feite hebben Tevatron-onderzoekers een kans gemist om hun LHC-tegenhangers de les te lezen over de spin en pariteit van de Higgs, zegt Ellis. Slechts enkele weken nadat onderzoekers bij de LHC de Higgs hadden ontdekt, legden Ellis en collega’s in een artikel uit hoe de Tevatron-teams de invariant-massatechniek op hun gearchiveerde gegevens zouden kunnen toepassen om de spin en pariteit van de Higgs “snel” te kunnen testen. Om technische redenen zou de techniek gevoeliger zijn voor Tevatron-gegevens dan voor LHC-gegevens, legden zij uit, omdat het Tevatron protonen en antiprotonen met elkaar in botsing bracht, terwijl de LHC protonen en protonen met elkaar in botsing bracht. Maar uiteindelijk verliep de Tevatron-analyse traag, omdat CDF- en D0-teamleden vertrokken om aan de LHC te werken. “Dit resultaat heeft meer het karakter van ‘wij ook’ dan dat het de eerste was, zoals we hadden gehoopt,” zegt Ellis.
Denisov is het ermee eens dat het gebrek aan mensen de voortgang belemmerde. Hij merkt op dat het hele idee al had kunnen worden uitgeprobeerd voordat de Higgs was gevonden: “Als we een jaar eerder waren gekomen, hadden we misschien de spin en pariteit van de Higgs kunnen bepalen nog voordat hij was ontdekt.”
Voor Higgs-studies bij het Tevatron is “dit het wel zo’n beetje”, zegt Denisov. In de tussentijd proberen natuurkundigen bij de LHC andere eigenschappen van de Higgs met grotere precisie te onderzoeken. Ze hopen met name tot op enkele procentpunten nauwkeurig te kunnen meten hoe snel de Higgs vervalt in verschillende combinaties van meer bekende deeltjes en dat te kunnen vergelijken met de voorspellingen van het standaardmodel. Onderzoekers zeggen dat dit werk ongeveer 15 jaar zal duren.