Jim Baggott is auteur van Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ en een freelance wetenschapsschrijver. Hij was docent scheikunde aan de Universiteit van Reading, maar vertrok naar het bedrijfsleven, waar hij eerst werkte voor Shell International Petroleum Company en daarna als zelfstandig bedrijfsadviseur en trainer. Zijn vele boeken omvatten Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005), en A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

Lees zijn verzameling blog posts, ter viering van de lancering van zijn nieuwe boek, op de OUPblog.

Op 4 juli 2012 kondigden wetenschappers van de Large Hadron Collider (LHC) faciliteit van CERN in Genève de ontdekking aan van een nieuw elementair deeltje dat volgens hen overeenkomt met het langgezochte Higgs boson, ook bekend als het ‘God-deeltje’. Ons begrip van de fundamentele aard van materie – alles in ons zichtbare heelal en alles wat wij zijn – staat op het punt een reuzensprong voorwaarts te maken.

Dus, wat is het Higgs boson en waarom wordt het het ‘God-deeltje’ genoemd? Wetenschapsschrijver Jim Baggott, wiens boek Higgs: the Invention and Discovery of the ‘God Particle’, enkele van deze antwoorden geeft.

We weten dat het fysieke universum is opgebouwd uit elementaire materiedeeltjes (zoals elektronen en quarks) en de deeltjes die krachten tussen hen overbrengen (zoals fotonen). Materiedeeltjes hebben fysische eigenschappen die we classificeren als fermionen. Krachtdeeltjes zijn bosonen.

In de kwantumveldentheorie worden deze deeltjes voorgesteld in termen van onzichtbare energie-‘velden’ die zich door de ruimte uitstrekken. Denk aan je jeugdervaringen met het spelen met magneten. Als je de noordpolen van twee staafmagneten tegen elkaar duwt, voel je de weerstand tussen hen in kracht toenemen. Dit is het resultaat van de wisselwerking tussen twee onzichtbare, maar niettemin zeer reële, magnetische velden. De weerstandskracht die je ervaart als je de magneten tegen elkaar duwt, wordt gedragen door onzichtbare (of ‘virtuele’) fotonen die tussen hen in passeren.

Materie en krachtdeeltjes worden dan geïnterpreteerd als fundamentele verstoringen van deze verschillende soorten velden. We zeggen dat deze verstoringen de ‘quanta’ van de velden zijn. Het elektron is het kwantum van het elektronenveld. Het foton is het kwantum van het elektromagnetische veld, enzovoort.

In het midden van de jaren zestig waren de kwantumveldentheorieën betrekkelijk impopulair onder theoretici. Deze theorieën leken te suggereren dat krachtdragers allemaal massaloze deeltjes moesten zijn. Dit had weinig zin. Zo’n conclusie is prima voor het foton, dat de kracht van elektromagnetisme draagt en inderdaad massaloos is. Maar men geloofde dat de dragers van de zwakke kernkracht, verantwoordelijk voor bepaalde vormen van radioactiviteit, grote, massieve deeltjes moesten zijn. Waar kwam dan de massa van deze deeltjes vandaan?

In 1964 verschenen vier onderzoekspapers waarin een oplossing werd voorgesteld. Wat als, zo suggereerden deze artikelen, het heelal doordrongen is van een ander soort energieveld, een dat wijst (het legt een richting op in de ruimte) maar niet duwt of trekt? Bepaalde soorten krachtdeeltjes zouden dan een wisselwerking met dit veld kunnen aangaan en daardoor aan massa winnen. Fotonen zouden onaangetast door het veld zoeven.

Een van deze verhandelingen, van de Engelse theoreticus Peter Higgs, bevatte een voetnoot die suggereerde dat van zo’n veld ook een fundamentele verstoring verwacht kon worden; een quantum van het veld. In 1967 gebruikte Steven Weinberg (en later Abdus Salam) dit mechanisme om een theorie te ontwerpen die de elektromagnetische en de zwakke kernkrachten combineerde. Weinberg was in staat de massa’s te voorspellen van de dragers van de zwakke kernkracht – de W- en Z-bosonen. Deze deeltjes werden ongeveer 16 jaar later in CERN gevonden, met massa’s die zeer dicht bij Weinbergs oorspronkelijke voorspellingen lagen.

Omstreeks 1972 werd het nieuwe veld door de meeste natuurkundigen het Higgs-veld genoemd, en zijn veldkwantum werd het Higgs-boson genoemd. Het ‘Higgs-mechanisme’ werd een sleutelingrediënt in wat bekend zou worden als het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het Higgs-veld werd uitgevonden om te verklaren hoe anders massaloze krachtdeeltjes massa konden krijgen, maar het werd al snel duidelijk dat iets zeer vergelijkbaars ook verantwoordelijk is voor de massa’s van de materiedeeltjes.

De manier waarop het Higgsveld interageert met anders massaloze bosonvelden en de manier waarop het interageert met massaloze fermionvelden is niet dezelfde (de laatste wordt een Yukawa interactie genoemd, genoemd naar de Japanse natuurkundige Hideki Yukawa). Niettemin speelt het Higgsveld duidelijk een fundamenteel belangrijke rol. Zonder dit veld zouden zowel materie als krachtdeeltjes geen massa hebben. Massa zou niet kunnen worden geconstrueerd en niets in ons zichtbare universum zou dat kunnen zijn.

In zijn populaire boek The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?, voor het eerst gepubliceerd in 1993, legde de Amerikaanse natuurkundige Leon Lederman (schrijvend met Dick Teresi) uit waarom hij deze titel had gekozen:

Dit boson is zo centraal in de huidige stand van de natuurkunde, zo cruciaal voor ons uiteindelijke begrip van de structuur van materie, en toch zo ongrijpbaar, dat ik het een bijnaam heb gegeven: het God-deeltje. Waarom God-deeltje? Twee redenen. Ten eerste, we mogen het van de uitgever niet het Goddelijke Deeltje noemen, hoewel dat misschien een passender titel is, gezien zijn boosaardige aard en de kosten die het veroorzaakt. En twee, er is een soort verband met een ander boek, een veel ouder boek…

Lederman citeerde vervolgens een passage uit het Boek Genesis.

Dit is een bijnaam die nog steeds op grote schaal wordt gebruikt door populair-wetenschappelijke schrijvers en journalisten. Het is een naam die is blijven hangen. De meeste natuurkundigen schijnen er een hekel aan te hebben, omdat zij menen dat het belang van het Higgs boson erdoor wordt overdreven (het is het Higgs veld dat de sleutel vormt). In een persoonlijke memoires getiteld My Life as a Boson, legde Peter Higgs uit hoe het lang gezochte deeltje aan zijn naam kwam, en omschreef zijn status als, “Physics’ most wanted particle.”

“God” of “most wanted”, het is een deeltje dat fysici zeker wanhopig hebben willen vinden. De vraag is nu: zal het werk van Peter Higgs op een andere manier worden erkend, misschien met een Nobelprijs?