Het Higgsboson

Toen blogger Steve Zara op de BBC hoorde dat het aan de kijker duidelijk maken waar het om ging bij het Higgsboson toch wat te moeilijk zou zijn voor de doorsnee kijker, besloot hij de handschoen op te nemen en een poging te wagen. Als bijna volslagen leek in alles wat kwantumfysica aangaat, vond ik dit toch wel een verhelderend stukje. Hier volgt de vertaling van Steve’s blog. Op hoop van zege.

Vertaling
Vertaling van A simple explanation of what the higss is all about, 3 juli 2012.

Op Radio 4 hadden ze het vanmorgen over de mogelijke ontdekking bij CERN van het Higgsboson en de ‘elektrozwakke symmetriebreking’, waarbij het laatste als iets dat moeilijk door het publiek zou zijn te begrijpen, werd voorgesteld. Ik kon de verleiding niet weerstaan om de uitdaging aan te gaan! Dus een zeer korte inleiding over waar de hele heisa om gaat.

Als de ideeën over het Higgsboson kloppen, zit het zo in elkaar. Er zijn vier soorten licht. We ervaren allemaal het bekende foton, de drager van de elektromagnetische kracht. Er zijn drie andere soorten licht die we nooit zullen zien, althans niet rechtstreeks. De reden dat we ze niet zien, is dat ze niet erg ver en niet erg lang bewegen. Dat komt omdat ze zwaar zijn. Er bestaat een bekende wet in de natuurkunde die het Onzekerheidsprincipe wordt genoemd. Het betekent dat massa en energie voor een tijdje uit het niets kunnen opduiken, en hoe lang ze dat kunnen hangt af van hoeveel massa of energie erbij is betrokken. Krachten in de natuur werken met ‘geleende’ deeltjes. De elektromagnetische kracht doet het met fotonen, die geen massa hebben (ze is in ieder geval nooit waargenomen). Omdat fotonen geen massa hebben, kunnen ze uit het niets verschijnen en het voor altijd blijven volhouden. Dit betekent dat de elektromagnetische kracht kan worden gevoeld over oneindige afstanden. Natuurlijk wordt ze verdund als je je verder van de krachtbron weg beweegt (net zoals kaarslicht zwakker wordt op grotere afstand), maar er is geen punt waar de kracht plotseling ophoudt. Daarom kunnen we elektromagnetisme toepassen in machines die veel groter zijn dan subatomaire deeltjes.

Dit is niet het geval met de drie andere soorten licht. Omdat ze massa hebben, kunnen ze niet erg lang bestaan en hun equivalent van elektromagnetische kracht niet erg ver uitdragen. Hun kracht is dan ook zeer zwak en wordt dan heel toepasselijk de ‘zwakke kracht’ genoemd. Maar de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht zijn in feite alleen verschillende aspecten van hetzelfde. Ze heet dan ook, niet verrassend, de ‘elektrozwakke kracht’. De vier soorten licht worden het foton, W +, W- en Z genoemd.

Wat is dan die ‘elektrozwakke symmetriebreking’ wel? Wat het betekent is eigenlijk heel eenvoudig: in een symmetrische situatie zouden het foton, het W +, de W- en de Z-deeltjes allemaal dezelfde massa hebben: helemaal niets. Ze zouden allemaal oneindig ver reiken en allemaal even sterk zijn als de elektromagnetische kracht. Symmetriebreking betekent enkel dat op een of andere manier de symmetrie verloren is gegaan – een aantal van de ‘lichtdeeltjes’ zijn zwaar. De reden is dat de zware interageren met het Higgsveld, maar het bekende foton niet. Het bestaan van het Higgsveld (of iets dergelijks) is eigenlijk afgeleid uit het feit van de zwaarte van de drie massieve lichtdeeltjes.

Wat is dan het Higgsveld? Het is een vreemd ding. In totaal lege ruimte is de waarde van de meeste velden in de natuur (zoals het elektromagnetische veld) gelijk aan nul, ook al betekent de onzekerheid dat het een beetje wiebelt. Nul is de laagste energie van het veld. Maar niet zo bij het Higgsveld. De laagste energiewaarde is niet nul en dus is het Higgsveld er altijd op de achtergrond. Het Higgsveld verschilt van andere velden zoals elektromagnetisme of zwaartekracht doordat dat het geen richting heeft. Er zijn geen equivalenten van ‘krachtlijnen’. Het veld is er maar doet niets. Op massaloze deeltjes zoals het foton heeft het Higgsveld geen effect. Andere deeltjes interageren met het Higgsveld. Dit geeft hen een vorm van traagheid: de aanwezigheid van het Higgsveld betekent dat ze een weerstand tegen versnelling ondervinden. Je vraagt je misschien af: waarom alleen tegen versnelling, waarom niet tegen elke beweging? Het antwoord is dat het Higgsveld de relativiteit respecteert: elk deeltje ziet het Higgsveld ten opzichte van zichzelf – er is geen universeel statisch Higgsveld dat overal een vaste achtergrond definieert. Daardoor voelt een deeltje geen Higgsveld wanneer het in rust is of beweegt met een constante snelheid (omdat vanuit het deeltje gezien constante snelheid hetzelfde is als in rust zijn).

Dat is dus het Higgsveld en symmetriebreking. Hoe kunnen we nu het Higgsveld waarnemen? Dat kunnen we niet, maar in de natuur zijn alle velden geassocieerd met dragerdeeltjes (‘bosonen’) – dat voor elektromagnetisme is het foton en die voor het zwakke veld zijn de W’s en het Z. Het dragerdeeltje voor het Higgsveld is het Higgsboson. De manier om ernaar te zoeken bestaat er eenvoudig gezegd in tegen de ruimte te ‘schoppen’ en te kijken wat eruit komt. Dit soort dingen gebeurt de hele tijd in de natuur, maar we moeten het doen op een gecontroleerde manier. Dat doet de Large Hadron Collider – hij dumpt energie in een klein volume van de ruimte en ziet wat eruit komt. En vandaag hopen we dat ze zullen zeggen dat dat het Higgsboson is.

Wees de eerste om te reageren

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *