Deze week tien jaar geleden bevestigden twee internationale samenwerkingsverbanden van groepen wetenschappers, waaronder een groot contingent van Caltech, dat ze sluitend bewijs hadden gevonden voor het Higgs-deeltje, een ongrijpbaar elementair deeltje, voor het eerst voorspeld in een reeks artikelen gepubliceerd in het midden van jaren zestig, waarvan men denkt dat het elementaire deeltjes massa geeft.

Vijftig jaar eerder, toen theoretische fysici probeerden de zogenaamde elektrozwakke theorie te begrijpen, die zowel elektromagnetisme als de zwakke kernkracht (betrokken bij radioactief verval) beschrijft, werd het duidelijk voor Peter Higgs, werkzaam in het VK, en onafhankelijk voor François Englert en Robert Brout, in België, evenals de Amerikaanse natuurkundige Gerald Guralnik en anderen, dat een voorheen ongeïdentificeerd veld dat het universum vulde nodig was om het gedrag van de elementaire deeltjes waaruit materie bestaat te verklaren. Dit veld, het Higgs-veld, zou leiden tot een deeltje zonder spin, significante massa, en het vermogen hebben om spontaan de symmetrie van het vroegste universum te doorbreken, waardoor het universum kan materialiseren. Dat deeltje werd bekend als het Higgs-deeltje.

In de decennia die volgden, bedachten en ontwikkelden experimentele natuurkundigen eerst de instrumenten en methoden die nodig waren om het Higgs-deeltje te detecteren. Het meest ambitieuze van deze projecten was de Large Hadron Collider (LHC), die wordt beheerd door de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, of CERN. Sinds de planning van de LHC eind jaren tachtig hebben het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation samengewerkt met CERN om financiering en technologische knowhow te verstrekken en duizenden wetenschappers te ondersteunen die helpen bij het zoeken naar de Higgs.

De LHC is een 27 kilometer lange ondergrondse ring waardoor protonen door supergeleidende magneten worden versneld tot net onder de lichtsnelheid. Twee bundels protonen die in tegengestelde richtingen reizen, worden gefocust en gericht om met elkaar in botsing te komen op specifieke punten waar detectoren de deeltjes kunnen waarnemen die door deze botsingen worden geproduceerd. Het gebruik van grote detectorfaciliteiten met verschillende ontwerpen - voornamelijk de Compact Muon Solenoid (CMS) en de A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) - stelt wetenschappers in staat een breed scala aan experimenten uit te voeren om de voorspellingen te testen van het standaardmodel waarvan het Higgs-deeltje is een onderdeel, om te zoeken naar nieuwe deeltjes en interacties die buiten het standaardmodel liggen, en om elkaars resultaten te verifiëren. De detectie van het Higgs-deeltje, aangekondigd op 4 juli 2012, was gebaseerd op de analyse van een ongekende hoeveelheid gegevens verzameld door CMS en ATLAS.

Harvey Newman, de Marvin L. Goldberger hoogleraar natuurkunde aan Caltech en een van de leiders van het Caltech-team, dat deel uitmaakt van de CMS-samenwerking, noemt de ontdekking van het Higgs-deeltje "een mijlpaal in de menselijke geschiedenis" die "voor altijd is veranderd de manier waarop we het universum bekijken."

Het Higgs-deeltje, dat in 1993 humoristisch het 'God-deeltje' werd genoemd in een boek met dezelfde naam door de auteurs Leon Lederman en Dick Teresi, speelt een cruciale rol in het standaardmodel van de natuurkunde:het biedt het mechanisme waardoor elementaire deeltjes massa krijgen. Terwijl deeltjes het Higgs-veld doorkruisen en interageren met Higgs-bosonen, glijden sommige over het oppervlak en veranderen ze helemaal niet. Maar anderen zitten als het ware gevangen in het onkruid en winnen aan massa.

Het standaardmodel moet donkere materie of gravitatie nog niet adequaat verklaren, maar keer op keer zijn zijn voorspellingen experimenteel bevestigd. "Het is een opvallend en verrassend resultaat dat door de analyse van toenemende hoeveelheden gegevens, met steeds gevoeligere methoden, de overeenkomst met het standaardmodel in al zijn details is blijven verbeteren, zelfs als de eerste tekenen van wat daarbuiten ligt, in termen van nieuwe deeltjes en nieuwe interacties, is ons steeds ontgaan", zegt Newman.

Elke afwijking van de door het standaardmodel voorspelde resultaten suggereert de aanwezigheid van andere deeltjes of dynamiek die op een dag de basis kunnen vormen voor een nieuw, meer allesomvattend natuurkundig model.

Botsingen die Higgs-bosonen produceren, zijn zeer zeldzaam. Voor elke miljard botsingen tussen protonen en protonen ontstaat er slechts één Higgs-deeltje. Om dit beeld nog ingewikkelder te maken, vervallen Higgs-bosonen zeer snel in andere deeltjes, en het is alleen door de kenmerken van deze deeltjes te meten dat het eerdere bestaan ​​van het Higgs-deeltje kan worden afgeleid. Caltech's Maria Spiropulu, de Shang-Yi Ch'en hoogleraar natuurkunde en de andere leider van het oorspronkelijke team van Caltech-onderzoekers die hielpen bij het detecteren van de Higgs, beschrijft het als de "spreekwoordelijke speld in de hooiberg".

Technologische verbeteringen aan de LHC en zijn detectoren hebben een hogere energie en grotere precisie mogelijk gemaakt in de versnellers en hun detectoren. Sinds de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 hebben experimenten bij de LHC meer informatie opgeleverd over het Higgs-deeltje en zijn massa- en vervalprocessen. In 2018 werkten Newman, Spiropulu en andere Caltech-onderzoekers bijvoorbeeld samen met een internationaal team dat bewijs produceerde dat aantoonde dat het Higgs-deeltje vervalt in paren van fundamentele deeltjes die bodem-quarks worden genoemd, werk dat Spiropulu destijds beschreef als een "Herculische arbeid". Voorafgaand aan die ontdekking deed het CMS-team de eerste waarneming van het Higgs-deeltje dat direct gekoppeld is aan het zwaarste standaardmodeldeeltje, de top-quark.

In 2020 documenteerden Spiropulu en haar collega's een zeldzaam vervalproces voor het Higgs-deeltje dat resulteert in twee muonen. "Het onderzoeken van de eigenschappen van het Higgs-deeltje komt neer op het zoeken naar nieuwe fysica waarvan we weten dat die er moet zijn", zei Spiropulu.

"Ik was net afgestudeerd van de middelbare school toen ik hoorde over de ontdekking van Higgs bij de LHC", zegt Caltech-student en CMS-teamlid Irene Dutta (MS '20), die aan het muon-onderzoek werkte. "Het is nederig om te weten hoe goed het standaardmodel elementaire deeltjes en hun interacties met zo'n precisie kan beschrijven."

Meest recentelijk heeft een door Caltech geleid team van onderzoekers dat aan het CMS-experiment werkt, machinaal lerende algoritmen gebruikt op basis van neurale netwerken om een ​​nieuwe methode te ontwikkelen om te jagen op wat misschien een nog ongrijpbaarder prooi is dan de Higgs zelf:een buitengewoon zeldzame " paar" op elkaar inwerkende Higgs-bosonen die, volgens de theorie, zouden kunnen worden geproduceerd tijdens protonbotsingen.

Na een sluiting van drie jaar om de LHC-versneller en experimenten verder te upgraden, begon de LHC met de laatste voorbereidingen voor een derde run (Run 3) begin 2022. De start van Run 3, gepland om door te gaan tot eind 2025, zal plaatsvinden op 5 juli, waarbij de eerste botsingen werden geproduceerd met de nieuwe energie van 13,6 tera-elektron-volt.

"De ontdekking van Higgs is een mijlpaal op een lange weg vooruit", zegt Barry Barish, Ronald en Maxine Linde van Caltech, emeritus hoogleraar natuurkunde, voormalig leider van Caltech's groep voor hoge-energiefysica (en mede-winnaar van de Nobelprijs voor natuurkunde). in 2017 voor zijn werk aan een ander grootschalig natuurkundig project, het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, of LIGO, dat de eerste detectie van de rimpelingen in ruimte en tijd deed, bekend als zwaartekrachtsgolven in 2016). "De deeltjesfysica gaat verder, in gedachten houdend dat het standaardmodel slechts een klein deel beschrijft van wat we weten dat er is en dat er meer vragen onbeantwoord zijn dan beantwoord; ja, we hebben een geweldige eenvoudige parametrisering in het standaardmodel, maar de werkelijke oorsprong van het doorbreken van de elektrozwakke symmetrie is onbekend. We hebben nog veel werk voor de boeg", zegt Barish.

Newman kijkt terug op een decennium van verkenning van het Higgs-deeltje en merkt op dat het onderzoek "ons blijft motiveren om harder na te denken en verbeterde detectoren en versnellingsverbeteringen te ontwerpen, waardoor we ons bereik nu en de komende twee decennia enorm kunnen uitbreiden." Dit omvat de tweede grote fase van het LHC-programma, bekend als de High Luminosity LHC, gepland voor 2029 tot 2040. Het zal substantiële upgrades van het versnellercomplex en detectoren opleveren die zullen leiden tot een verwachte toename van de verzamelde gegevens door een factor 20 ten opzichte van wat CMS en ATLAS tegenwoordig hebben.

Het Caltech-team omvat ook Si Xie, onderzoeksassistent-professor natuurkunde, evenals onderzoekswetenschappers Adi Bornheim en Ren-Yuan Zhu, die allemaal tientallen jaren van studie hebben gewijd aan het ontdekken en begrijpen van het Higgs-deeltje. De Caltech-groep leidt nieuwe ultraprecisie-timing detectorupgrades voor de High Luminosity LHC en ontwikkelt nieuwe op AI gebaseerde benaderingen voor gegevensanalyse die een versnelde bijna-realtime ontdekking mogelijk maken. De groep heeft meer dan een dozijn Ph.D. scripties en stelden ongeveer 100 niet-gegradueerde studenten en stagiaires in staat om deel te nemen aan analyse-, instrumentatie- en computeronderzoek sinds de ontdekking van de Higgs. + Verder verkennen

ATLAS en CMS geven resultaten vrij van meest uitgebreide studies tot nu toe van de eigenschappen van Higgs-boson