* Het Higgs deeltje
Op 31 augustus 1964 kwamen twee hoogleraren [François Englert (1932) en Robert Brout (1928 – 2011)] van de Brusselse Universiteit met een theorie, dat er een krachtenveld moest bestaan, welke verantwoordelijk was voor de massa van deeltjes. Zij spraken niet over krachtdeeltjes (bosonen).
De Schotse professor Peter Higgs (1929) poneerde op 15 september 1964 een theorie, dat er een krachtenveld bestaat, dat zich over het hele Heelal uitstrekt en gevuld is met bosonen. De Amerikaanse wetenschapper Steven Weinberg (1933) schreef in 1967 een artikel over dit onderwerp, waarbij hij per abuis de data van de uitgebrachte theorieën verwisselde. Door deze vergissing is Peter Higgs tot de Godfather uitgeroepen, waardoor het bosondeeltje en het krachtenveld ook zijn naam kregen: Het Higgs deeltje en het Higgs veld.
Moleculen bestaan uit atomen. Atomen bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. Elektronen zijn elementaire deeltjes en zijn dus niet verder te splitsen. Aanvankelijk dacht men dat protonen en neutronen ook elementaire deeltjes waren. In 1963 kwam men tot de ontdekking, dat protonen en neutronen uit nog kleinere deeltjes bestonden, namelijk Quarks.
Twee voorwerpen (materie) oefenen een kracht op elkaar uit, de zgn. zwaartekracht of gravitatiekracht. Sinds mensenheugenis is deze kracht bekend, maar wat massa nu precies is en wat de bron is:
* We leven er mee;
* We weten hoe het werkt;
* We kunnen er mee rekenen (formules);
Je kunt het vergelijken met het werken op een laptop. Met behulp van Powerpoint kun je de mooiste presentaties maken; met Excel kun je de meest ingewikkelde tabellen maken en met Word kun je schitterende artikelen schrijven. Toch weten de meeste gebruikers niet hoe deze programma’s in elkaar zitten en tot stand zijn gekomen.
* Isaac Newton (1643-1727) kwam in 1665 met de eerste formule over zwaartekracht, waarin dus het verband met massa tot uiting kwam:
F de zwaartekracht tussen twee voorwerpen (in Newton)
m1 de massa van het eerste voorwerp (in kg)
m2 de massa van het tweede voorwerp (in kg)
r de afstand tussen de zwaartepunten van die voorwerpen (in m)
G de gravitatieconstante = (6,67428 ± 0,00067) × 10-11 Nm2 kg-2.
De grootte van de zwaartekracht wordt gewicht genoemd en uitgedrukt in Newton (N). Gewicht wordt gemeten aan de hand van de tegenwerkende kracht, bijv. door een veer, als compensatie van de zwaartekracht. De massa van een object is constant en wordt in kilogrammen (kg) uitgedrukt. Gewicht en Massa worden verkeerd gebruikt. Als we het hebben over “hoe zwaar is iemand” dan hebben we het eigenlijk over “Massa”.
Gewicht wordt gemeten door de tegenwerkende Massa wordt gemeten met een balans, kracht te meten. waarop gewichten worden geplaatst
De tegenwerkende kracht wordt aan
Dit gebeurt met bijv. een unster (veer) beide kanten ondervonden
Gewicht op de Maan zal een factor 6 lager zijn dan op Aarde.
Massa op de Maan is hetzelfde als op Aarde.
De Higgs theorie komt nu in het kort op het volgende neer:
Massa is niet opgesloten in de elementaire deeltjes. Massa is dus niet in het atoom ingebouwd.
Een elementair deeltje is een deeltje, dat niet verder is te splitsen in andere deeltjes.
Er moet over het hele Heelal een krachtenveld aanwezig zijn, dat opgevuld is met Higgs bosonen. Elementaire deeltjes bewegen en hun beweging wordt afgeremd door de Higgs bosonen in het krachtenveld. De mate waarin de deeltjes worden afgeremd is bepalend voor hun massa. Hoe groter de afremming hoe groter de massa.
Zonder deze afremming (massa) zouden alle deeltjes met de lichtsnelheid door de ruimte “scheuren” en zij zouden dan niet in staat zijn om zich te binden tot atomen, waar alles in het Universum uit bestaat van sterren en planeten tot mensen, dieren en planten.
Het Higgs veld is dus de SLEUTEL van het LEVEN.
Fotonen bijvoorbeeld hebben geen massa, dat wil zeggen dat hun snelheid niet wordt afgeremd en zij (het licht) bewegen zich om die reden met de lichtsnelheid door de ruimte. Dit is dan tevens de absolute maximale snelheid die kan bestaan.
Albert Einstein wist niets van het mogelijke bestaan van Higgs bosonen.
De Speciale Relativiteitstheorie van 1905 getuigt dan ook van zijn enorme genialiteit:
De voortplantingssnelheid van licht is constant, namelijk 300.000 km per seconde.
Tevens is dit de maximum snelheid.
Het Higgs boson is niet zichtbaar, want het valt onmiddellijk uiteen in een aantal andere deeltjes (elektronen en/of muonen), welke wel aangetoond kunnen worden. Het zijn dus de vervalproducten waarmee Higgs bosonen kunnen worden aangetoond.
Voor de wetenschap was het van een enorm belang, het is immers de primaire bron van ons bestaan, om aan te tonen dat Higgs deeltjes en het Higgs veld bestaan. Experimenten met een Large Hadron Collider (LHC) zouden de waarheid moeten brengen. In het CERN te Genève (op de grens van Zwitserland en Frankrijk) is deze installatie gebouwd. Op geen enkele manier mocht er verstoring komen door andere vreemde deeltjes. Op 100 meter diepte werd in het rotsachtige gebergte een tunnel uitgehouwen van 27 km lengte. In cirkelvorm werden twee buizen aangelegd, waarin in tegengestelde richting protonen werden versneld tot 99,9 % van de lichtsnelheid. Op het moment dat deze snelheid was bereikt werd een wissel geopend waardoor deze protonen stromen met elkaar in botsing kwamen en er een explosie plaats vond, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkwam, welke werd omgezet in deeltjes volgens de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein (1915): E = m c².
(E staat voor Energie, m voor Massa en c is de Lichtsnelheid).
De ondergrondse LHC van het CERN in Genève
Het 27 km lange buizenstelsel
De botsingen vinden plaats precies in de ATLAS en CMS detectoren.
De Atlas detector is 46 meter lang, 25 m hoog en 25 m breed en weegt 7000 ton.
De CMS detector is 21 m lang, 15 m hoog en 15 m breed en weegt 12.500 ton.
In 2009 zijn de experimenten gestart, waarbij de installatie ook nog een jaar heeft stilgelegen door een enorme storing.
In totaal heeft de bouw met de tot nu toe uitgevoerde experimenten 7,5 miljard Euro gekost. Dit bedrag is bijeen gebracht door de deelnemende landen, waaronder Nederland. Daarnaast hebben de meeste deelnemende landen ook een bijdrage geleverd via hun wetenschappelijke instituten, waardoor de totale kosten nog veel hoger uitvallen. Toch is de wetenschap van mening dat de kosten verantwoord zijn.
Op dit moment is nog niet te overzien wat de zegeningen zullen zijn van dit onderzoek. In totaal zijn 1000 miljard botsingen doorgevoerd en na elke botsing werden de brokstukken geanalyseerd.
De Atlas detector
De CMS detector
Op 4 juli 2012 kwam de CERN directie naar buiten met de mededeling, dat met 99,999 % zekerheid kon worden gesteld, dat het Higgs deeltje was gevonden.
De massa van het Higgs deeltje is bepaald op 125 GeV (Giga elektron Volt).
De massa van een proton is ongeveer 1 GeV, hetgeen overeenkomt met:
1,672623 x 0,000.000.000.000.000.000.000.000.001 kg
Het Higgs deeltje heeft zich dus geopenbaard via de vervalproducten waarin het uiteen valt.
Op de monitor van de Atlas detector waren de ontstane deeltjes (2 muonen en 2 elektronen) zichtbaar:
Tot slot:
De wereld van de elementaire deeltjesfysica is zeer ingewikkeld en moeilijk met het menselijk brein te vatten. Hopelijk kan dit artikel een bijdrage zijn voor een beter begrip.
Zwartebroek, 8 juli 2012
Ap Cloosterman