Tien jaar geleden, op 4 juli 2012, kondigden de ATLAS- en CMS-samenwerkingsverbanden bij de Large Hadron Collider (LHC) de ontdekking aan van een nieuw deeltje met kenmerken die consistent zijn met die van het Higgs-deeltje voorspeld door het standaardmodel van deeltjesfysica. De ontdekking was een mijlpaal in de geschiedenis van de wetenschap en trok de aandacht van de wereld. Een jaar later won het François Englert en Peter Higgs de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun voorspelling die decennia eerder, samen met wijlen Robert Brout, werd gedaan van een nieuw fundamenteel veld, bekend als het Higgs-veld, dat het universum doordringt en zich manifesteert als de Higgs-deeltje en geeft massa aan de elementaire deeltjes.

"De ontdekking van het Higgs-deeltje was een monumentale mijlpaal in de deeltjesfysica. Het markeerde zowel het einde van een decennialange ontdekkingsreis als het begin van een nieuw tijdperk van onderzoek naar dit zeer speciale deeltje", zegt Fabiola Gianotti, directeur van CERN. - Generaal en de projectleider ('woordvoerder') van het ATLAS-experiment ten tijde van de ontdekking. "Ik herinner me met emotie de dag van de aankondiging, een dag van immense vreugde voor de wereldwijde gemeenschap van deeltjesfysica en voor alle mensen die decennialang onvermoeibaar hebben gewerkt om deze ontdekking mogelijk te maken."

In slechts tien jaar tijd hebben natuurkundigen enorme stappen voorwaarts gemaakt in ons begrip van het universum, niet alleen door al vroeg te bevestigen dat het in 2012 ontdekte deeltje inderdaad het Higgs-deeltje is, maar ook om onderzoekers in staat te stellen een beeld te vormen van hoe de alomtegenwoordige aanwezigheid van een Higgs-deeltje veld in het heelal werd een tiende van een miljardste van een seconde na de oerknal tot stand gebracht.

De nieuwe reis tot nu toe

Het nieuwe deeltje dat in 2012 door de internationale ATLAS- en CMS-samenwerkingen werd ontdekt, leek erg op het Higgs-deeltje dat door het standaardmodel werd voorspeld. Maar was het eigenlijk dat lang gezochte deeltje? Zodra de ontdekking was gedaan, gingen ATLAS en CMS in detail onderzoeken of de eigenschappen van het deeltje dat ze hadden ontdekt echt overeenkwamen met die voorspeld door het standaardmodel. Door gebruik te maken van gegevens van de desintegratie, of 'verval', van het nieuwe deeltje in twee fotonen, de dragers van de elektromagnetische kracht, wordt de

experimenten hebben aangetoond dat het nieuwe deeltje geen intrinsiek impulsmoment of kwantumspin heeft - precies zoals het Higgs-deeltje voorspeld door het standaardmodel. Daarentegen hebben alle andere bekende elementaire deeltjes spin:de materiedeeltjes, zoals de 'up' en 'down' quarks die protonen en neutronen vormen, en de krachtdragende deeltjes, zoals de W- en Z-bosonen.

Door te observeren dat de Higgs-bosonen worden geproduceerd uit en vervallen in paren W- of Z-bosonen, bevestigden ATLAS en CMS dat deze hun massa winnen door hun interacties met het Higgs-veld, zoals voorspeld door het standaardmodel. De kracht van deze interacties verklaart het korte bereik van de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor een vorm van radioactiviteit en de kernfusiereactie initieert die de zon aandrijft.

De experimenten hebben ook aangetoond dat de top-quark, bottom-quark en tau-lepton - de zwaarste fermionen - hun massa verkrijgen door hun interacties met het Higgs-veld, opnieuw zoals voorspeld door het standaardmodel. Ze deden dit door te observeren, in het geval van de top-quark, dat het Higgs-deeltje samen met paren top-quarks wordt geproduceerd, en in het geval van de onderste quark en tau-lepton, het verval van het boson in paren van respectievelijk bottom-quarks en tau-leptonen. . Deze waarnemingen bevestigden het bestaan ​​van een interactie, of kracht, genaamd de Yukawa-interactie, die deel uitmaakt van het standaardmodel, maar anders is dan alle andere krachten in het standaardmodel:het wordt gemedieerd door het Higgs-deeltje en de sterkte ervan wordt niet gekwantificeerd, dat wil zeggen, het komt niet in veelvouden van een bepaalde eenheid.

ATLAS en CMS maten de massa van het Higgs-deeltje op 125 miljard elektronvolt (GeV), met een indrukwekkende precisie van bijna één per mil. De massa van het Higgs-deeltje is een fundamentele natuurconstante die niet wordt voorspeld door het standaardmodel. Bovendien kan de massa van het Higgs-deeltje, samen met de massa van het zwaarste bekende elementaire deeltje, de top-quark en andere parameters, de stabiliteit van het vacuüm van het universum bepalen.

Dit zijn slechts enkele van de concrete resultaten van tien jaar verkenning van het Higgs-deeltje bij 's werelds grootste en krachtigste botser - de enige plek ter wereld waar dit unieke deeltje kan worden geproduceerd en in detail kan worden bestudeerd.

"De grote gegevensmonsters die door de LHC zijn geleverd, de uitzonderlijke prestaties van de ATLAS- en CMS-detectoren en nieuwe analysetechnieken hebben beide samenwerkingen in staat gesteld om de gevoeligheid van hun Higgs-boson-metingen uit te breiden tot meer dan mogelijk werd geacht toen de experimenten werden ontworpen." zegt ATLAS-woordvoerder Andreas Hoecker.

Bovendien hebben de LHC-samenwerkingsverbanden, sinds de LHC in 2010 begon te botsen met protonen met een recordenergie, dankzij de ongekende gevoeligheid en precisie van de vier hoofdexperimenten meer dan 60 composietdeeltjes ontdekt die door het standaardmodel werden voorspeld, waarvan sommige exotisch zijn. 'tetraquarks' en 'pentaquarks'. De experimenten hebben ook een reeks intrigerende hints van afwijkingen van het standaardmodel aan het licht gebracht die verder onderzoek nopen, en hebben het quark-gluon-plasma bestudeerd dat het universum in zijn vroege momenten in ongekend detail vulde. Ze hebben ook veel processen van zeldzame deeltjes waargenomen, steeds nauwkeurigere metingen gedaan van de verschijnselen van het Standaardmodel, en nieuwe wegen ingeslagen bij het zoeken naar nieuwe deeltjes die verder gaan dan die voorspeld door de Standaard

Model, inclusief deeltjes die de donkere materie kunnen vormen die het grootste deel van de massa van het universum uitmaakt.

De resultaten van deze zoekopdrachten voegen belangrijke stukken toe aan ons begrip van fundamentele fysica. "Ontdekkingen in de deeltjesfysica hoeven geen nieuwe deeltjes te betekenen", zegt Joachim Mnich, directeur van CERN voor onderzoek en informatica. "De LHC-resultaten die zijn verkregen gedurende een decennium van het gebruik van de machine, hebben ons in staat gesteld een veel breder netwerk te verspreiden in onze zoekopdrachten, sterke grenzen te stellen aan mogelijke uitbreidingen van het standaardmodel en nieuwe zoek- en data-analysetechnieken te bedenken. "

Opmerkelijk is dat alle tot nu toe verkregen LHC-resultaten gebaseerd zijn op slechts 5% van de totale hoeveelheid gegevens die de versneller tijdens zijn levensduur zal leveren. "Met dit 'kleine' monster heeft de LHC grote stappen voorwaarts mogelijk gemaakt in ons begrip van elementaire deeltjes en hun interacties", zegt CERN-theoreticus Michelangelo Mangano. "En hoewel alle tot nu toe verkregen resultaten consistent zijn met het standaardmodel, is er nog steeds voldoende ruimte voor nieuwe fenomenen die verder gaan dan wat door deze theorie wordt voorspeld."

"Het Higgs-deeltje zelf kan wijzen op nieuwe fenomenen, waaronder enkele die verantwoordelijk kunnen zijn voor de donkere materie in het universum", zegt CMS-woordvoerder Luca Malgeri. "ATLAS en CMS voeren veel zoekopdrachten uit om alle vormen van onverwachte processen met betrekking tot het Higgs-deeltje te onderzoeken."

De reis die nog voor de boeg ligt

Wat valt er nog te leren over het Higgs-veld en het Higgs-deeltje tien jaar later? Veel. Geeft het Higgs-veld ook massa aan de lichtere fermionen of zou er een ander mechanisme in het spel kunnen zijn? Is het Higgs-deeltje een elementair of samengesteld deeltje? Kan het interageren met donkere materie en de aard van deze mysterieuze vorm van materie onthullen? Wat genereert de massa en zelfinteractie van het Higgs-deeltje? Heeft het een tweeling of familie?

Het vinden van de antwoorden op deze en andere intrigerende vragen zal niet alleen ons begrip van het universum op de kleinste schalen vergroten, maar kan ook helpen om enkele van de grootste mysteries van het universum als geheel te ontrafelen, zoals hoe het is geworden zoals het is en wat zijn uiteindelijke lot zou kunnen zijn. Vooral de zelfinteractie van het Higgs-deeltje zou de sleutel kunnen zijn tot een beter begrip van de onbalans tussen materie en antimaterie en de stabiliteit van het vacuüm in het universum.

Hoewel antwoorden op sommige van deze vragen kunnen worden geleverd door gegevens van de op handen zijnde derde run van de LHC of van de grote upgrade van de versneller, de LHC met hoge helderheid, vanaf 2029, wordt aangenomen dat antwoorden op andere raadsels buiten het bereik van de LHC, waarvoor een toekomstige 'Higgs-fabriek' nodig is. Om deze reden onderzoeken CERN en haar internationale partners de technische en financiële haalbaarheid van een veel grotere en krachtigere machine, de Future Circular Collider, in reactie op een aanbeveling in de laatste update van de Europese strategie voor deeltjesfysica.

"Hoge-energieversnellers blijven de krachtigste microscoop die we tot onze beschikking hebben om de natuur op de kleinste schaal te verkennen en om de fundamentele wetten te ontdekken die het universum beheersen", zegt Gian Giudice, hoofd van de afdeling Theorie van CERN. "Bovendien hebben deze machines ook enorme maatschappelijke voordelen."

Historisch gezien hebben de versneller-, detector- en computertechnologieën die worden geassocieerd met hoogenergetische versnellers een grote positieve impact op de samenleving gehad, met uitvindingen zoals het World Wide Web, de detectorontwikkelingen die hebben geleid tot de PET-scanner (Positron Emission Tomography) en de ontwerp van versnellers voor hadrontherapie bij de behandeling van kanker. Bovendien hebben het ontwerp, de constructie en de werking van deeltjesfysica-verstellers en experimenten geresulteerd in de opleiding van nieuwe generaties wetenschappers en professionals op andere gebieden, en in een uniek model van internationale samenwerking. + Verder verkennen

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