Nobelprijs voor de natuurkunde: Higgs

ACHTERGROND - In de gangen en op de social media gonsden de namen al langer rond en vandaag werd het officieel: François Englert en Peter Higgs krijgen de Nobelprijs voor de Natuurkunde. In 1964 waren zij één van de eersten die het bestaan van de Higgs boson voorspelden, een missend stukje in de puzzel die natuurkunde heet.

Alles wat we zien is opgebouwd uit kleine bouwstenen, de zogenaamde elementaire deeltjes, en verschillende krachten die deeltjes elk op een andere manier beïnvloeden. Onderzoekers bundelden deze kennis in een theorie, genaamd het Standaardmodel. Met dit model konden onderzoekers alles in de wereld uitleggen, van de vorming van sterrenstelsels tot de wisselwerkingen in atomen. Totdat in de jaren zestig bleek dat een aantal van deze elementaire deeltjes een massa had, terwijl de theorie dat niet voorspelde. Het Standaardmodel leek nog niet compleet.

Higgs en Englert bedachten een theorie voor het missende puzzelstukje. Het universum zou gevuld zijn met een uniform krachtenveld. Alle deeltjes zouden door dit alom aanwezige krachtenveld bewegen. Sommige van de elementaire deeltjes, afhankelijk van hun eigenschappen, zouden extra massa krijgen dankzij het Higgs boson. Je kunt het zien als de avondvierdaagse. Stel, een vriend van je loopt mee met de avondvierdaagse. Je besluit de laatste dag langs de kant te gaan staan voor support. Als je daar aankomt, lijken meer mensen hetzelfde idee te hebben: het ziet zwart van de toeschouwers. De lange rij met toeschouwers stelt het constante Higgs veld voor. Je ziet de wandelaars gestaag voorbij komen, als een stroom elementaire deeltjes. Als je vriend langsloopt, ziet hij je in de massa staan en komt even een praatje maken. Het valt hem zwaar: het is nog een eindje en zijn laatste chocoladereep is al op. Maar jij zag dat al aankomen, dus je hebt er eentje extra meegenomen. Je geeft de reep aan je vriend. Hierbij veranderen alleen zijn eigenschappen, niet die van de andere wandelaars. In het Higgs scenario krijgen dus ook alleen bepaalde elementaire deeltjes massa.

Zoekt en gij zult vinden?

Eén van de missies van de Large Hadron Collider in Zwitserland was het zoeken naar het Higgs boson. Dit wordt gedaan door het botsen van energierijke deeltjes. Hierbij ontstaan elke keer weer verschillende reactieproducten, afhankelijk van de energie van de botsende deeltjes en de hoek waaronder ze botsen. De kans dat de Higgs boson ontstaat bij de botsing, is heel klein. En zelfs als hij ontstaat, leeft hij maar heel kort: ongeveer een triljardste van een seconde. In die tijd heeft hij de detectoren niet bereikt, dus kunnen de wetenschappers hem ook niet direct waarnemen. De deeltjes waar hij na zijn korte levensperiode in uiteen valt, wel. Maar om de verwarring compleet te maken, kunnen die deeltjes via een andere reeks botsingen en splitsingen ontstaan. Vergelijk het met het wegennet: je kunt vanaf Groningen via Utrecht naar Amsterdam, maar ook via Maastricht. Het eindresultaat is hetzelfde: je bent in Amsterdam. Het is aan de onderzoekers om aan de hand van het resultaat de route te bepalen die nodig is.

Dit jaar maakten twee groepen wetenschappers bekend dat ze een deeltje gevonden dat veel op het Higgs boson lijkt. Het heeft veel van de eigenschappen die de wetenschapper Higgs in de jaren zestig voorspelde, maar nog niet alle eigenschappen zijn getest. Daar is tijd voor nodig. Het kan namelijk zijn dat het niet het Higgs boson is dat voorspeld werd door Englert en Higgs, maar een ander deeltje. Een ander missend puzzelstukje?

  1. 1

    Het idee dat de moderne natuurkunde nog aan velen zou kunnen worden uitgelegd is een illusie.
    Einstein weigerde al het verdwijnen van de causaliteit in de quantum mechanica te accepteren.
    Feynman probeerde nog de deeltjes theorie van licht te populariseren, ik las die boeken met grote moeite.
    Vincent Icke schreef het boek The force of symmetry, toen ik hem per e mail uitleg vroeg over waarom spin er toe leidt dat deeltjes elkaar aantrekken, was z’n antwoord dat hij dat wiskundig kon aantonen, maar niet in woorden uitleggen.
    Het Standaardmodel stikt dan ook zo van de deeltjes dat het wachten m.i. is op een theorie over de materie die weer begrijpelijk is.
    Of die er ooit komt, sommige science fiction schrijvers betwijfelen dat.
    Of het nu waarschijnlijk ontdekte Higgs boson de spin aantrekkingstheorie vervangt, ik vraag het me alleen maar af.
    Hoe erg het is mag er uit blijken dat de Italiaanse minister van onderwijs na het neutrino’s schieten van Geneve naar Milaan vroeg wie de tunnel had betaald.
    De man wist niet dat neutrino’s zo klein zijn, en de materie zo leeg, dat vrijwel alle neutrino’s dwars door de hele aarde vliegen, zonder iets te raken.

  2. 3

    @2: Lijkt mij toch wel redelijk tot de basale kennis behoren dat een minister weet dat neutrino’s overal doorheen vliegen. Er staan regelmatig artikelen in kranten hierover dus het is bijna niet te missen als hoger opgeleide maar dat is deze minister dan ook duidelijk niet. Nog een voorbeeld, onze ex-defensie vrouwenversierder Jack de Vries dacht dat vliegtuigen van staal zijn. Lijkt me toch wel behoorlijk dom als je mede over de aankoop van straaljagers beslist of ben ik nou gek.

  3. 4

    Ik vind dat Higgs-boson totaal oninteressant. Wat mij ongelofelijk veel meer fascineert is de verstrengeling van elektronen – http://www.tudelft.nl/nl/actueel/laatste-nieuws/artikel/detail/tu-delft-legt-fundament-voor-quantum-internet/ – iets wat Einstein al had voorspeld. Einstein schreef hier ooit over: “Ik vind het een ontolereerbaar idee dat een elektron dat blootgesteld wordt aan straling zou kiezen uit zijn eigen vrije wil, niet alleen het moment om (op een positie) te springen, maar ook zijn richting. In dat geval zou ik liever timmerman zijn, of zelfs werken in een speelhal, dan een natuurkundige.” Kijk dat is pas echt iets waar we helemaal geen ene bal van snappen. Ik denk dan ook dat wij ongelofelijk veel dommer zijn dan wij allemaal denken, en veel erger steeds dommer worden maar ook dat had Einstein al voorspeld: “I fear the day that technology will surpass our human interaction. The world will have a generation of idiots.” Kijk om je heen en je ziet vrijwel iedereen op zijn smartphone staren en je weet genoeg. Tja de mens, verreweg het allerdomste dier……

  4. 5

    @3:
    Nog een voorbeeld, onze ex-defensie vrouwenversierder Jack de Vries dacht dat vliegtuigen van staal zijn.

    Is dit echt waar ?
    Het enige vliegtuig van ijzer, staalplaat, wat er ooit was was een Junckers, ergens rond 1920 gebouwd, stond bekend als ‘Eisenflugzeug’.
    Piloten van die tijd, die de houten vliegtuigen met doekbespanning etc., gewend waren, wilden niet geloven dat het ding kon vliegen.

    @2.
    Als een minister van onderwijs niet eens middelbare school natuurkunde beheerst ????
    Maar ja, wij hebben Klijnsma, Weekers, Sharon Dijksma en nu ook Dijsselbloem, met de eerste Nederlandse begroting naar Grieks-Cypriotisch model, ‘we doen alsof we bezuinigen en hervormen’.
    Zal wel de door Diederik zo bepleite ‘solidariteit met de zuidelijke landen’ zijn, die bereiken ook niets dan vergroting van de armoede.

    @4
    Ik vind het een ontolereerbaar idee
    Dat schreef ik al, Einstein kon de quantum mechanica niet accepteren, ‘does god play dice”?’, antwoord: ja.
    Overigens heb ik geen smartphone.

  5. 6

    @1 Er is met hoge waarschijnlijkheid een boson gevonden dat een op een Higgs boson lijkt: dat betekent niet dat we hebben aangetoond dat massa volgens het Higgs mechanisme gecreeerd wordt, om dat te concluderen is nog veel onderzoek nodig. Het zou inderdaad een verrassende conclusie zijn: als Higg’s theorie klopt leven we in een soort supergeleider waarin beneden een bepaalde (extreem hoge) temperatuur bosonen uitcondenseren die middels een lokale wisselwerking massa veroorzaken precies zoals de schijnbare massa van elektronen in een vaste stof. Daarmee zou de ruimtetijd wel eens veel complexer kunnen zijn dan wij denken, zo complex als vaste stoffen.

    Wat quantummechanica en massa betreft: ik verwacht daar belangrijke vooruitgang door nanofysische experimenten bij zeer lage temperaturen. Het is momenteel technisch mogelijk om massieve systemen in een quantumsuperpositie te brengen. Als een massa op 2 plaatsen tegelijkertijd is is de kromming van de ruimtetijd echter niet meer te definieren volgens de ART. Hier gaat ongetwijfeld een verfijning van het standaardmodel uit voortkomen die meer inzicht geeft in het begrip massa.

    De natuurkunde is inderdaad erg complex geworden, zeker is dat de complexiteit alleen maar gaat toenemen. Nieuwe theorieen kunnen daar niets aan veranderen.

    @2 Natuurlijk is kennis van de elementaire natuurkunde wel elementaire kennis. Zonder deze kennis is de wereld met geen mogelijkheid te begrijpen. Ook op een grotere schaal is dezelfde kennis steeds weer van fundamenteel belang, de natuur zit namelijk vol met patronen die zichzelf op verschillende lengteschalen herhalen.

  6. 7

    @5 Of de lieve heer dobbelt weten we niet. Volgens de diverse quantumtheorieen wel maar het is duidelijk dat we veel meer niet weten dan wel weten. We kunnen slechts 5% van de massa in ons universum verklaren. Van de rest weten we dat het er is maar we weten niet hoe of waar.

    Het is zeer goed mogelijk dat er verborgen vrijheidsgraden in de natuur aanwezig zijn (onontdekte quantumgetallen) die het statistische gegoochel veroorzaken.

    Filosofisch sta ik (als natuurkundige) helemaal achter Einstein: ons doel moet zijn die vrijheidsgraden te ontdekken. Ik geloof dat ze er zijn en dat de natuur inherent berekenbaar is. Zelfs als het niet zo is: volledig begrip is het doel van elke wetenschapper. De zuiver mathematische gesloten statistische kijk op QM kan een self fulfilling prophecy worden. Gelukkig zijn er momenteel erg veel natuurkundigen die die kijk niet meer accepteren en proberen verder te komen, bijv. door het bestuderen van het meetprobleem.

  7. 8

    @7:
    maar het is duidelijk dat we veel meer niet weten dan wel weten. We kunnen slechts 5% van de massa in ons universum verklaren. Van de rest weten we dat het er is maar we weten niet hoe of waar

    Het mooie daarvan is dat er nog wat te doen is.
    John Maddox, ‘What remains to be discovered, Mapping the secrets of the universe, the origins of life, and the future of the human race’, London 1998

  8. 9

    @4 – “Tja de mens, verreweg het allerdomste dier…”

    Maak er een eind aan, zou ik zeggen.

    @8 – “maar het is duidelijk dat we veel meer niet weten dan wel weten. We kunnen slechts 5% van de massa in ons universum verklaren. Van de rest weten we dat het er is maar we weten niet hoe of waar”

    Gaan we de rest van deze draad nou vergallen met nietszeggende frasen waar niemand wat mee opschiet?

  9. 11

    @4: ’ … dat had Einstein al voorspeld: “I fear the day that technology will surpass our human interaction. The world will have a generation of idiots.”'

    Dat heeft-ie dan in het geheim gedaan, want …

    “There is no substantive evidence that Einstein made either of these statements. [Heel verhaal.] In conclusion, QI [Quote Investigator] believes that Albert Einstein did not write or say any of the three variant quotations. Individuals who were aggravated by the behavior patterns of cell phone users probably facilitated the construction, evolution, and dissemination of this meme.”
    http://quoteinvestigator.com/2013/03/19/tech-surpass/

  10. 12

    “In de gangen en op de social media gonsden de namen al langer rond en vandaag werd het officieel: François Englert en Peter Higgs krijgen de Nobelprijs voor de Natuurkunde.”
    Vandaag??? Sorry? Dit was al officieel geworden op dinsdag 8 oktober 2013, vier dagen geleden. Wat een blunder meteen in de eerste zin van het artikel.

  11. 13

    @9:
    De zinnen zijn niet in het minst nietszeggend.
    Ze zijn gewoon waar.
    Dat ze jou niets zeggen, is veelzeggend.

    Nog even iets anders.
    Het zogenaamde Standaard model is alsmaar gecompliceerder geworden.
    Of dat zo zal doorgaan, niemand weet het.
    Maar ook kan niemand uitsluiten dat er nog eens heel andere, veel eenvoudigere, inzichten zullen ontstaan.

  12. 14

    @13 Dat gaat niet gebeuren. Mischien zal er ooit een generaliserende wet gevonden worden maar die is dan tamelijk nietszeggend. Neem de Schrodingervergelijking. Die ene vergelijking beschrijft het complete periodiek systeem en de hele scheikunde. Met heel veel moeite kunnen we een atoom bestaand uit 1 proton en 1 elektron ermee doorrekenen, daar houdt het op. Voor complexere atomen kunnen we met computers vaststellen dat de theorie correct is. Maar dat er metalen bestaan en halfgeleiders en dat sommige materialen wel en andere niet magnetisch zijn en welke elementen met welke reageren, dat er moleculen bestaan en kristallen kun je er niet aan zien, hooguit door ontzettend veel werk te verzetten. De huidige kennis vormt dus feitelijk een tussenresultaat voor zo’n unificerende theorie. Het komen tot zo’n tussenresultaat vanuit een algemene theorie vereist vaak zo veel inspanning dat die tussenresultaten een op zich zelf staande theorie worden. Door emergentie kunnen ogenschijnlijk eenvoudige regels een enorm complex resultaat opleveren. Dat het resultaat complex is weten we al, getuige het aantal elementaire deeltjes en wisselwerkingen.

  13. 15

    Ik vind dat gezeik over die dobbelende god ondertussen werkelijk volstrekt onverteerbaar. Zelf als – of juist omdat – Einstein dat gezegd heeft (der lieber Herr Gott würfelt nicht, in alle vormen en variaties vindbaar op het net).

    1) Er is geen god, ergo hij dobbelt niet maar hij heeft dus ook geen flikker met natuurkunde te maken.

    2) Er is wel een god dan : “En God zei: Laat Ons mensen maken naar ons beeld, als onze gelijkenis, opdat zij heersen over de vissen in de zee en over het gevogelte aan de hemel en over het vee en over de gehele aarde en over al het kruipende gedierte dat op de aardbodem kruipt. En God schiep de mens naar zijn beeld; naar Gods beeld schiep Hij hem; man en vrouw schiep Hij hen”. (Genesis 1:26; vergelijk 9:6)
    Ergo : hij dobbelt wel want de mens dobbelt en is naar zijn evenbeeld gemaakt. Als god dobbelt is de fysica op de juiste weg. Me dunkt.

    Of Higgs – en Englert – nu gelijk hebben of niet, zij hebben de natuurkunde en de vraag naar van alles en nog wat een behoorlijke schop gegeven. Van mij mogen ze die prijs hebben hoor. De CERN versneller is duurder.

  14. 16

    @14:
    Een uitermate merkwaardige uitspraak ‘dat gaat niet gebeuren’.
    Het doet me denken aan eind 19e eeuwse ideeën van natuurkundigen, dat de natuurkunde bijna compleet was.
    Inmiddels zijn we meer dan een eeuw verder, is de causaliteit afgeschaft, en hebben we door dat we meer niet weten dan wel weten.
    Waar dat toe zal leiden, ik denk dat niemand dat kan weten.

  15. 18

    @17:
    Volgens mij was Einstein atheist.
    Net als vele andere grote natuurkundigen, zoals Feynman, had hij een bijna religieuze achting voor materie.
    In die zin doen dit soort mensen me denken aan de oude Litouwse godsdienst ‘god is alles’.
    Zijn vraag over de dobbelende god was ingegeven door zijn weerzin dat causaliteit zou verdwijnen.
    Dat is voor mij het merkwaardige, Einstein maakte tijd en afstand relatief, nog in de dertiger jaren in Oxford riepen filosofen dat dat niet kon, maar de volgende revolutie op wetenschappelijk gebied wees hij af.
    Hoezeer wetenschappers net gewone mensen zijn beschrijft Hoyle m.i. uitstekend Fred Hoyle, ‘Home Is Where the Wind Blows, Chapters from a cosmologist’s life’, Mill Valley 1994.

  16. 19

    @houtman, #18 Volgens mij was Einstein atheist.

    Ok. Maar volgens Einstein zelf niet. Zie link uit #17.

    He said he believed in the “pantheistic” God of Baruch Spinoza, but not in a personal god, a belief he criticized. He also called himself an agnostic, while disassociating himself from the label atheist, preferring, he said, “an attitude of humility corresponding to the weakness of our intellectual understanding of nature and of our own being.”

  17. 20

    @19:
    Ik denk dat zijn pantheistische god precies is wat ik beschreef.
    Je kunt er natuurlijk lang over discussiëren of iemand die in een pantheistische god gelooft een atheist is of niet.
    In elk geval geloofde hij niet in een persoonlijke god.
    Wat het is dat mensen het etiket atheist niet willen, Spinoza was (ook ?) hoogst verontwaardigd toen hij voor atheist werd uitgemaakt.
    Misschien heeft de joodse achtergrond van beiden er iets mee te maken.
    Hoe dan ook, in boeken over Einstein trof ik nooit iets aan wat op de gangbare opvatting over geloof wijst.

  18. 21

    @16 Dat is niet zo merkwaardig, ik leg onder die opmerking uitvoerig uit waarom dat zo is. Een heel complex systeem kan aan hele eenvoudige regels voldoen. Zie bijvoorbeeld Conway’s game of life. Dat de natuur complex is hoef ik vermoedelijk niet te onderbouwen. Natuurkunde is de studie van die natuur en ik kan als vakbeoefenaar zeggen dat die even complex is. Een unificerende theorie brengt daar geen verandering in. Een betere theorie over elementaire deeltjes heeft bijvoorbeeld geen enkele invloed op mijn vakgebied: het gedrag van elektronen in en aan het oppervlak van vaste stoffen.

  19. 22

    @21:
    Een betere theorie over elementaire deeltjes heeft bijvoorbeeld geen enkele invloed op mijn vakgebied: het gedrag van elektronen in en aan het oppervlak van vaste stoffen.

    Dit soort beweringen blijft mij verbazen.