Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: zijn er in de LHC tekenen gezien van extra higgsdeeltjes?

Het werd wel het worstcasescenario van de deeltjesfysica genoemd: met de deeltjesversneller Large Hadron Collider – de LHC voor intimi – ontdekken we ‘higgs en verder niks’. En ja, dat vonden natuurkundigen dus erger dan helemáál niks vinden. Van het higgsdeeltje werd namelijk verwácht dat het bestond. Zou de LHC aantonen dat dat toch niet het geval was, dan betekende dat een gang terug naar de tekentafel, om uit te vogelen hoe je de boel zonder higgsdeeltje verklaard krijgt. Maar nee; dat bleek niet nodig. Het higgsdeeltje bestond, precies zoals theoretici al in 1964 hadden voorspeld. En in de jaren daarna dook er geen enkel ander nieuw deeltje op in de versneller.

Tot nu…? Natuurkundige Andreas Crivellin van het Zwitserse Paul Scherrer-instituut en collega’s denken namelijk toch sporen te zien van zulke nieuwe deeltjes in de LHC-data. Daarbij zou het dan gaan om extra higgsdeeltjes, wat zwaarder dan het higgsdeeltje dat we al kennen. Als die inderdaad bestaan, zouden ze de eerste onaangekondigde gezinsuitbreiding van het standaardmodel van de deeltjesfysica vormen sinds decennia.

Meer van Far Out:

• Dampende hapjes: kunnen we zwarte gaten tóch zien verdwijnen?
• Het duistere hart van de zon
• Waren er vlak na de oerknal zwarte gaten met een kleurtje?

Wishful thinking

Nieuwe deeltjes vind je in de regel door bekende deeltjes tegen elkaar te laten knallen. Dat gebeurt bijvoorbeeld met de LHC, de grootste deeltjesversneller ter wereld, van het Europese deeltjeslab CERN bij Genève. Daarin botsen protonen op elkaar met bijna de lichtsnelheid. Daarbij komt dan een hoeveelheid energie vrij waar andere deeltjes uit kunnen ontstaan. In de meeste gevallen zit daar niets interessants tussen. Maar in 2012 vonden natuurkundigen bewijs voor het langverwachte higgsdeeltje. Heel af en toe bleek dat deeltje uit zo’n deeltjesbotsing voort te komen – om vervolgens gelijk zelf weer uit elkaar te vallen in andere deeltjes.

In 2015 leek het er even op dat de deeltjesfysici opnieuw beethadden. Toen dachten ze namelijk tekenen te zien van een deeltje dat zes keer zo zwaar was als het higgsdeeltje. Of, zoals de deeltjesfysici het zelf zouden zeggen: ze hadden bewijsmateriaal voor een deeltje met een massa van 750 giga-elektronvolt (GeV), waar het higgsdeeltje, zo weten we sinds 2012, 125 GeV ‘weegt’.

Wat de deeltjesfysici in dit geval daadwerkelijk zagen, was een overschot aan lichtdeeltjes of fotonen. Die leken te wijzen op een deeltje van 750 GeV dat uiteenviel in twee van dit soort deeltjes. Wat vóór die stelling sprak: niet één, maar twee experimenten die langs de 27 kilometer lange LHC-tunnel stonden opgesteld, zagen dit fotonenoverschot: ATLAS en CMS. Dat gaf het deeltjeslab genoeg vertrouwen in de meting om die naar buiten te brengen.

Toch bleek er in de zomer van 2016 sprake te zijn van vals alarm: het fotonenoverschot was geen bewijs voor een nieuw deeltje, maar een statistische oprisping. Bovendien, zo zegt Crivellin, lag het piekje dat ATLAS dacht te zien stiekem niet helemaal op dezelfde plek als het piekje van CMS en was het ook niet even breed. “Er was dus wel sprake van wat wishful thinking.”

Extra higgsdeeltjes

Maar nu zou het – althans, volgens Crivellin – anders liggen. In data verzameld met het experiment ATLAS trof hij een nieuw fotonenoverschot aan, deze keer bij 152 GeV. En daar zouden dan volgens hem wél nieuwe deeltjes verantwoordelijk voor kunnen zijn. Twee of drie extra higgsdeeltjes, om precies te zijn.

Is dat logisch dan, meerdere higgsdeeltjes? Nou, ze komen in elk geval niet helemaal uit de lucht vallen. “Het is heel onwaarschijnlijk dat het standaardmodel van de deeltjesfysica de uiteindelijke theorie is”, zegt natuurkundige Nicolo de Groot van de Radboud Universiteit, niet betrokken bij het onderzoek van Crivellin maar wel bij het experiment ATLAS. “Zo maken de zwaartekracht en donkere materie er geen deel van uit. En in veel modellen die het standaardmodel uitbreiden, komen extra higgsdeeltjes voor.”

Bovendien, zegt Crivellin, voorspelde een van zijn collega’s, Bruce Mellado van de Universiteit van Witwatersrand in Zuid-Afrika, in 2007 al dat er een extra higgsdeeltje te vinden zou zijn met een massa in de buurt van 150 GeV. Dat ondergraaft wat hem betreft het kritiekpunt dat, als je maar op genoeg verschillende plekken naar een uitschieter in de data zoekt, de statistiek dicteert dat je altijd wel érgens zo’n piekje gaat vinden – ook als er in werkelijkheid niets geks aan de hand is.

Op zoek

Volgende vraag is dan: als er extra higgsdeeltjes bestaan die niet zo heel veel zwaarder zijn dan het ‘gewone’ higgsdeeltje… hadden we daar dan niet al wat van moeten zien? De Groot denkt van wel. “Het lijkt mij heel onwaarschijnlijk dat we zulke deeltjes in eerdere data van de LHC en zijn voorganger LEP gemist zouden hebben.” Toch meent Crivellin echt iets op het spoor te zijn; hij en collega’s publiceerden al verschillende wetenschappelijke artikelen over het piekje in de ATLAS-data en wat dat zou kunnen betekenen.

Interessant is in elk geval dat het piekje bij 152 GeV niet is gevonden door het ATLAS-team zélf, maar door een outsider, en dat de ATLAS-fysici het vervolgens niet gelijk hebben weggewuifd. “Zowel ATLAS als CMS hebben me beloofd naar deeltjes bij 152 GeV op zoek te gaan”, zegt Crivellin.

“Bij ATLAS hebben we zeker niet het gevoel dat we iets gemist hebben”, nuanceert De Groot, “maar we kijken altijd naar tekenen van nieuwe deeltjes. Mijn voorlopige conclusie is dat we op verschillende manieren kunnen controleren of deze deeltjes bestaan. Ik verwacht dat dit de komende tijd gaat gebeuren.” Mócht daaruit blijken dat Crivellin inderdaad nieuwe higgsdeeltjes heeft gespot, dan kan binnen de deeltjesfysica de vlag uit. Altijd fijn als je vakgebied toch niet het worstcasescenario blijkt te beleven.

Deze Far Out staat ook in KIJK 1/2025.