Vandaag wordt er om 14u nieuws verwacht uit CERN.
De betrokken wetenschappers mogen tot die tijd niets lossen, maar ze weten ons wel nieuwsgierig te maken (bijvoorbeeld op Scilogs). Het nieuws zal in elk geval te maken hebben met het Higgs-boson, een hypotetisch deeltje dat mooi in de huidige fysische theorieën zou passen, maar dat nog nooit is waargenomen. Eén van de belangrijkste motivaties bij het bouwen van de Large Hadron Collider (LHC), de laatste nieuwe versneller van CERN, was precies om daarmee naar dit deeltje te kunnen zoeken.
Er zijn twee grote detectoren, CMS en ATLAS, waarmee twee groepen wetenschappers min of meer onafhankelijk van elkaar naar het Higgs-boson zoeken. Eerder dit jaar werden de tot dan toe geanalyseerde resultaten van beide experimenten als eens samengevoegd: dit leidde ertoe dat men kon uitsluiten dat het Higgs-boson zich in de onderzochte energiezones bevond. Er bleven echter nog niet-onderzochte regio’s over waar het Higgs-deeltje zich dus in zou kunnen bevinden. Met name het gebied tussen 114 en 141 GeV moest nog worden uitgekamd.
Op vele blogs werd er de afgelopen dagen al druk gespeculeerd over wat er vandaag te horen zou zijn. Worden er enkel méér energiezones uitgesloten (een negatief resultaat), of zijn de eerste sporen van het deeltje gevonden (een positief resultaat)? Zelfs in het geval van een positief resultaat blijft de vraag hoe significant het is. Met andere woorden, de statistiek moet goed genoeg zijn: vijf-sigma is de gouden standaard in dit vakgebied.
Ook de wetenschappers op CERN zelf zijn enthousiast: de seminariezaal werd uit veiligheidsoverwegingen al anderhalf uur op voorhand afgesloten – de mensen zaten dan al tot op de trappen (volgens Aidan Randle-Conde, een fysicus die alles live bijhoudt op zijn blog).
Voor wie niet op CERN zit is het seminarie live te volgen via de webcast van CERN. Ik zit alvast klaar! Op dit moment zie je vooral veel mensen zitten (bijna allemaal achter een laptop) en de sprekers die zich klaar maken. Ik zal een update posten zodra we meer weten.
Aanvulling (16u30):
Eerst presenteerde Fabiola Gianotti de resultaten van ATLAS, dan presenteerde Guido Tonelli die van CMS. Het mooie is dat de bevindingen in overeenstemming zijn met elkaar.
Eerst een beetje uitleg, die voor beide onderdelen van toepassing is:
Als het Higgs-boson bestaat, zijn er diverse vervalprocessen mogelijk, waarbij het Higgs-boson wordt omgezet in verschillende ons al bekende deeltjes. Het is door deze bekende deeltjes te detecteren dat er indirect bewijs verzameld kan worden dat er daar een Higgs-boson vervallen moet zijn. Zo zijn er diverse kanalen waarin men sporen van het Higgs-boson zou kunnen ontdekken: men kan fotonen meten, leptonen (elektronen, muonen en tauonen), enzoverder.
Eén zo’n proces is het H -> ZZ* proces, waarbij er eerst twee Z-bosonen gevormd worden, die vervolgens vervallen naar vier leptonen (vier elektronen, of vier muonen, of twee elektronen en twee muonen). In dit geval zijn het dus elektronen en/of muonen die gedetecteerd moeten worden. Hoewel de processen zeer zeldzaam zijn, wordt dit beschouwd als het “gouden kanaal” bij dit type onderzoek.
Afhankelijk van het soort deeltje en het proces waaruit het gevormd wordt, kan het zinvol zijn om de energie te meten, de hoeken waaronder de deeltjes vrijkomen en dergelijke. Voor al deze kanalen moet men dus een manier vinden om de betrokken deeltjes te kunnen detecteren, de specifieke eigenschappen te meten, ongewenste effecten te verminderen, … Kortom, het is een hele klus, waarbij niet enkel een goede kennis van de fysica vereist is, maar net zo goed van techniek en statistiek. Elk kanaal heeft ook specifieke eigenschappen, zoals gevoeligheid en resolutie. Bovendien zijn sommige kanalen beter geschikt om een zwaar, hoogenergetisch Higgs-boson te meten, terwijl andere beter geschikt zijn als het deeltje lichter, minder energetisch zou blijken te zijn.
Na het doen van de metingen moeten alle resultaten geanalyseerd worden. De strategie is als volgt: men berekent aan de hand van het Standaard Model wat het signaal zou moeten in elk energiegebied als het Higgs-boson niet bestaat of geen massa heeft waardoor het zou bijdragen aan het signaal bij die energie. Deze berekeningresulteert in een voorspelling van het aantal gebeurtenissen dat men verwacht te detecteren bij die energie – dit noemt men de achtergrond. Als er toch een Higgs-boson is, zullen er in een bepaald energiegebied dus méér gebeurtenissen gedetecteerd worden dan de voorspelde achtergrond. De jacht op het Higgs-boson wordt zo een jacht op piekjes die boven de achtergrond uitkomen.
Voorzichtigheid is echter geboden: sommige processen zijn zeer zeldzaam, waardoor ze slechts voor zeer kleine afwijkingen van de achtergrond zorgen. Ook als er geen Higgs-gerelateerde processen niet plaatsvinden, kun je kleine afwijkingen van de berekende achtergrond verwachten. Hier komt de belangrijke rol van statistiek naar boven: er moeten voldoende gebeurtenissen gedetecteerd worden, vóór een piekje als significant wordt gezien. De afspraak is dat een resultaat significant moet zijn tot op 5-sigma. Zolang een waargenomen piek dit niveau niet haalt, mag je niet zeggen dat het Higgs-boson experimenteel is aangetoond.
Nu dan de resultaten van vandaag:
Zowel bij het ATLAS- als bij het CMS-experiment zijn er in meerdere kanalen afwijkingen gevonden ten opzichte van de achtergrond. Met name in het twee-foton-kanaal zijn er bij beide experimenten verhogingen gevonden die te wijten zouden kunnen zijn aan vervalprocessen van het Higgs-boson; bij CMS zijn er ook duidelijke aanwijzingen in het “gouden kanaal”. De signaalverhogingen zijn niet groot genoeg om te gelden als bewijs voor het Higgs-boson, maar ook niet klein genoeg om het bestaan van het deeltje uit te sluiten.
Deze grafiek komt uit de presentatie van Fabiola Gianotti over de ATLAS-resultaten. De gekleurde rechthoeken duiden energiegebieden aan waar het Higgs-boson niet kan zitten. Er blijft dus een smal venster over, waarin een kleine piek gedetecteerd is (lokaal 2,8-sigma significant). (Screenshot van de live webcast van CERN vandaag.)
Dat de verhogingen bij verschillende detectiemechanismen wel bij (ongeveer) dezelfde energie naar boven komen, is natuurlijk wel zeer suggestief. Er zijn “prikkelende hints” dat er ‘iets’ gebeurt in het energiegebied tussen 115 en 130 GeV, terwijl de mogelijkheid voor een Higgs-boson corresponderend met een hogere of lagere energie steeds verder afneemt. Om het verhaal sluitend te maken zijn er gewoon meer gegevens nodig en dat vergt nu eenmaal tijd. Bovendien staat de LHC nu uit tot eind maart 2012 voor onderhoud. Er is echter hoop: naar alle verwachtingen zullen we eind 2012 uitsluitsel hebben. De LHC-experimenten zullen dan genoeg gegevens verzameld hebben om met 5-sigma significantie te zeggen of het Higgs-boson wel of niet bestaat.
Conclusie: het seminarie van vandaag leverde misschien niet de pakkende kop op waar de journalisten op zaten te wachten, maar we weten weldegelijk veel meer dan bij de laatste tussenstand! En geduld is een schone deugd. ;-)
Meer lezen? CERN voorziet een persbericht. De resultaten van ATLAS staan hier, het rapport van CMS staat hier (er is ook een pdf in het Nederlands).
Aanvulling (14 december):
Er staat nu ook op Scilogs een nabeschouwing, met daarin de twee belangrijkste grafieken. De Volkskrant kankert intussen op het gebruikte lettertype. Tja, wetenschapscommunicatie – het blijft een uitdaging…
Aanvulling (27 april 2012):
Meer uitleg over het Higgs-boson en de experimenten op CERN in een filmpje van PhD Comics.
Ik gebruik een schoolagenda om mijn werk te plannen en dus wissel ik bij deze overgang van juli naar augustus ook van boekje. Het vorige stond tot de laatste dag helemaal vol gekriebeld. Sommige blaadjes waren overplakt met post-its om nog meer te kunnen inplannen op één dag. Ik weet nog dat het lente was en dat ik dacht over wat ik deze zomer allemaal zou kunnen doen, omdat ik dan zeeën van tijd zou hebben. Nu juli voorbij is, kan ik officieel melden dat “zomerrust” weer een illusie is gebleken. Ook in juli was mijn agenda een dubbeldekker.
