Kun je in een paar volzinnen op begrijpelijke wijze uitleggen wat het Higgsdeeltje is, vroeg een wetenschapsjournalist me. Het is veelgevraagd, maar ‘begrijpelijk’ is natuurlijk niet erg scherp gedefinieerd. Dus ja, dat kan ik.
Zonder Higgsdeeltje lukt het niet om zinnige voorspellingen te doen over het gedrag van elementaire deeltjes. En mét het Higgsdeeltje wel. Er zijn niet zoveel elementaire deeltjes. De elementaire deeltjes die we kennen, dat wil zeggen: experimenteel hebben waargenomen, passen heel mooi in één sluitend kader, mits we aannemen dat het Higgsdeeltje, dat nog niet is waargenomen, ook bestaat. Het Higgsdeeltje is het enige ontbrekende elementaire deeltje. Daarom zijn we er zo hard naar op zoek.
Wat is een ‘elementair deeltje’? Een deeltje zó klein dat het geen afmeting heeft, geen inwendige structuur, een ‘punt’. Een atoom is geen elementair deeltje. Een elektron, dat deel uitmaakt van een atoom, is wel een elementair deeltje. Een atoomkern, waar de elektronen omheen bewegen, bestaat uit protonen en neutronen. Maar dat zijn ook geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit quarks, en dat zijn wel elementaire deeltjes. Zes quarks, zes leptonen (waarvan het elektron er één is): ecce mundus! Dat is het. De krachtvelden die deze deeltjes verspreiden, en die zorgen voor de samenhang, de ‘structuur der materie’, komen hier nog bij. Deze krachtvelden zijn ook opgebouwd uit ‘kleinste hoeveelheden’, uit deeltjes, ook elementair. De elektrische en de magnetische kracht worden overgebracht door het foton. Dit is de kracht die elektronen bij atoomkernen houdt en die atomen tot moleculen maakt. En tot gassen, vloeistoffen of vaste stof. Radioactief verval wordt veroorzaakt door een kracht die onder de naam ‘zwakke kracht’ bekend is geworden en deze kracht wordt overgebracht door een deeltje dat in drie verschillende ladingstoestanden kan voorkomen: het W+ en het W- deeltje en de neutrale variant die bekend is geworden onder de naam Z0 deeltje. En tenslotte: de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt en die quarks tot protonen en neutronen bindt heet de sterke kracht en wordt overgebracht door het gluon.
De kracht tussen twee geladen deeltjes is omgekeerd evenredig met de afstand in het kwadraat. Een positief en een negatief deeltje, bijvoorbeeld, mogen dus niet willekeurig dicht bij elkaar komen. Dat zou ‘een oneindigheid’ introduceren en dat maakt een zinvolle beschrijving onmogelijk. Laten we dit illustreren met een concreet voorbeeld. Stel we laten een elektron (negatief) botsen met een anti-elektron (ook bekend onder de naam positron; positief). Als we snelheid en richting van elektron en positron vóór de botsing kennen dan kunnen we voorspellen wat snelheid en richting ná de botsing zijn. Maar dat kan alleen maar als we de ‘oneindigheden’ die samenhangen met de theoretische mogelijkheid dat de deeltjes elkaar willekeurig dicht kunnen naderen onder controle hebben. En dat kan! In het voorbeeld ‘springt’ het krachtdeeltje (een foton) van het elektron naar het positron: zó vindt de botsing, de wisselwerking plaats. En doordat er zo’n sprongetje plaatsvindt, plaats moet vinden om een wisselwerking mogelijk te maken, blijven de oneindigheden ons bespaard. Zo kunnen we zinnige, eenduidige berekeningen doen die met experimentele resultaten vergeleken kunnen worden. Berekeningen zijn gedaan, experimenten zijn uitgevoerd: fantastisch goede overeenstemming is gevonden! En toch is er een probleem. De W/Z deeltjes onderscheiden zich van het foton (en ook van het gluon) doordat ze massa hebben. Het foton heeft alleen energie en kan niet stilstaan (zie de relativiteitstheorie). W/Z deeltjes kunnen dat wel en als zij hun kracht overbrengen (bijvoorbeeld tussen elektron en positron in een botsing als hierboven geschetst) kunnen ze dat stilstaand doen. En dat is het begin van allerlei moeilijkheden die alsnog tot onhanteerbare oneindigheden leiden. En nu komt het Higgs-veld in beeld. Een heel bijzonder veld dat er voor zorgt dat we een theorie kunnen maken waarin de krachtdeeltjes aanvankelijk massaloos zijn (en ‘oneindigheden’ vermeden worden). Als we het veld toevoegen blijkt dit energie aan de W/Z deeltjes te geven die zich manifesteert als massa. Heel opmerkelijk: het Higgs-veld introduceert de wisselwerking die tot W/Z massa leidt op precies zo’n wijze dat de oneindigheden als gevolg van deze massa precies gecompenseerd worden door wisselwerkingen tussen W/Z deeltjes via het Higgs-veld. Ook het Higgs-veld komt in kleinste hoeveelheden: het Higgs-deeltje.
Een overzichtelijk wereldbeeld: zes quarks, zes leptonen (en hun anti-deeltjes) en drie velden bestaande uit foton, W/Z en gluonen. Overzichtelijk, maar beschreven door een knap ingewikkelde theorie (‘het Standaard Model’). Een theorie die klopt ‘tot ver achter de komma’ daar waar deze getoetst is, maar een theorie die niet zonder Higgs-deeltje kan. En dit deeltje hebben we nog niet kunnen aantonen, nog niet kunnen ‘maken’. En dat moet nu (binnen een jaar…) gaan gebeuren bij de Large Hadron Collider van CERN. En anders..? Het Standaard Model is gebouwd op een basis die gevormd wordt door de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Einstein had het niet zo op de kwantummechanica. De kwantummechanica voorspelt waarschijnlijkheden. Een botsing tussen twee deeltjes, bijvoorbeeld, leidt tot vele mogelijke eindtoestanden, elk met een eigen waarschijnlijkheid, optellend tot honderd procent natuurlijk. Dat is de enige zekerheid. Einstein hield hier niet van. God dobbelt niet. Toch heeft het er alle schijn van dat God wel dobbelt. De dobbelsteen heeft wel meer dan zes vlakken, maar we weten toch heel aardig hoe hij er uitziet. Als God ons een dobbelsteen heeft laten ontdekken waarvan één vlakje voor altijd een vraagteken zal bevatten, dan zijn we flink bij de neus genomen. En dat geloof ik niet!
Jos Engelen, 19-6-2011
