Gyles Lewis
0 
3610
1077
De heersende theorie van de deeltjesfysica legt alles uit over de subatomaire wereld ... behalve de delen die dat niet doet. En helaas zijn er niet veel flatterende bijvoeglijke naamwoorden die kunnen worden toegepast op het zogenaamde standaardmodel. Deze theorie van fundamentele fysica, beetje bij beetje opgebouwd in de loop van decennia, kan het best worden omschreven als lomp, mengelmoes en MacGyvered, samen met stukjes touw en kauwgom..
Toch is het een ongelooflijk krachtig model dat nauwkeurig een enorme verscheidenheid aan interacties en processen voorspelt.
Maar het heeft een aantal flagrante tekortkomingen: het bevat geen zwaartekracht; het kan de massa van verschillende deeltjes niet verklaren, waarvan sommige kracht verlenen; het heeft geen verklaring voor bepaald neutrinogedrag; en het heeft meteen geen antwoord op het bestaan van donkere materie.
Dus we moeten iets bedenken. We moeten verder gaan dan het standaardmodel om ons universum beter te begrijpen.
Helaas zijn veel van de leidende kanshebbers om dit geweldige verder te verklaren - supersymmetrische theorieën genoemd - de afgelopen jaren uitgesloten of ernstig beperkt. Er is echter nog steeds een Weesgegroet-concept dat de mysterieuze delen van het universum zou kunnen verklaren die niet onder het standaardmodel vallen: langlevende supersymmetrische deeltjes, soms kortweg spartikels genoemd. Maar deprimerend is dat een recente zoektocht naar deze vreemde deeltjes met lege handen is teruggekomen. [De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie]
Niet zo super symmetrie
Verreweg de meest trendy set theorieën die de grenzen van het huidige standaardmodel overschrijden, zijn gegroepeerd in een klasse van ideeën die bekend staat als supersymmetrie. In deze modellen hebben de twee belangrijkste kampen van deeltjes in de natuur ('bosonen', zoals de bekende fotonen; en 'fermionen' - zoals elektronen, quarks en neutrino's) eigenlijk een vreemde verwantschap. Elk boson heeft een partner in de fermionwereld, en evenzo heeft elk fermion een bosonvriend om zijn eigen vriend te noemen.
Geen van deze partners (of beter gezegd in het verwarrende jargon van de deeltjesfysica - "superpartners") behoren tot de normale familie van bekende deeltjes. In plaats daarvan zijn ze doorgaans veel, veel zwaarder, vreemder en zien ze er doorgaans vreemder uit.
Dit verschil in massa tussen de bekende deeltjes en hun superpartners is het resultaat van iets dat symmetriebreking wordt genoemd. Dit betekent dat bij hoge energieën (zoals de binnenkant van deeltjesversnellers) de wiskundige relaties tussen deeltjes en hun partners gelijkmatig zijn, wat leidt tot gelijke massa's. Bij lage energieën (zoals de energieniveaus die je in het normale, alledaagse leven ervaart), wordt deze symmetrie echter verbroken, waardoor de partnerdeeltjesmassa's omhoogschieten. Dit mechanisme is belangrijk, omdat het toevallig ook verklaart waarom bijvoorbeeld de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere krachten. De wiskunde is maar een klein beetje ingewikkeld, maar de korte versie is dit: er is iets gebroken in het universum, waardoor de normale deeltjes drastisch minder massief worden dan hun superpartners. Diezelfde breekactie kan de zwaartekracht hebben afgestraft en de kracht ervan hebben verminderd ten opzichte van de andere krachten. Handig. [6 rare feiten over zwaartekracht]
Leef lang en bloei
Om op supersymmetrie te jagen, hebben een stel natuurkundigen gechipt en de atoomkraker genaamd de Large Hadron Collider gebouwd, die na jaren van moeizaam zoeken tot de verrassende maar teleurstellende conclusie kwam dat bijna alle supersymmetrische modellen fout waren.
Oeps.
Simpel gezegd, we kunnen geen partnerdeeltjes vinden. Nul. Zilch. Nada. Er zijn geen aanwijzingen voor supersymmetrie verschenen in 's werelds krachtigste botser, waar deeltjes met bijna de lichtsnelheid rond een cirkelvormig apparaat worden geritst voordat ze met elkaar botsen, wat soms resulteert in de productie van exotische nieuwe deeltjes. Het hoeft niet per se te betekenen dat supersymmetrie per se verkeerd is, maar alle eenvoudigste modellen zijn nu uitgesloten. Is het tijd om supersymmetrie op te geven? Misschien, maar er kan een Weesgegroet zijn: langlevende deeltjes.
Gewoonlijk, in het land van de deeltjesfysica, hoe zwaarder je bent, hoe onstabieler je bent en hoe sneller je vervalt in eenvoudigere, lichtere deeltjes. Het is gewoon zoals de dingen zijn. Omdat de partnerdeeltjes naar verwachting allemaal zwaar zijn (anders hadden we ze nu al gezien), verwachtten we dat ze snel zouden vervallen in buien van andere dingen die we misschien herkennen, en dan zouden we onze detectoren dienovereenkomstig hebben gebouwd.
Maar wat als de partnerdeeltjes een lange levensduur hadden? Wat als, door een of andere eigenaardigheid van exotische fysica (geef theoretici een paar uur om erover na te denken, en ze zullen met meer dan genoeg eigenaardigheden komen om het te laten gebeuren), deze deeltjes erin slagen om aan de grenzen van onze detectoren te ontsnappen voordat ze plichtsgetrouw in verval raken in iets minder vreemd? In dit scenario zouden onze zoekopdrachten helemaal leeg zijn gekomen, simpelweg omdat we niet ver genoeg weg zochten. Ook zijn onze detectoren niet ontworpen om rechtstreeks naar deze langlevende deeltjes te kunnen zoeken.
ATLAS schiet te hulp
In een recent artikel dat op 8 februari online is gepubliceerd op de preprint-server arXiv, rapporteerden leden van de ATLAS (ietwat lastige steno voor A Toroidal LHC ApparatuS) samenwerking bij de Large Hadron Collider een onderzoek naar zulke langlevende deeltjes. Met de huidige experimentele opstelling konden ze niet zoeken naar elk mogelijk langlevende deeltje, maar ze waren wel in staat om te zoeken naar neutrale deeltjes met massa's tussen 5 en 400 keer die van het proton..
Het ATLAS-team zocht naar de langlevende deeltjes niet in het midden van de detector, maar aan de randen, waardoor de deeltjes zich van enkele centimeters tot enkele meters konden verplaatsen. Dat lijkt misschien niet erg ver in termen van menselijke maatstaven, maar voor massieve, fundamentele deeltjes kan het net zo goed de rand van het bekende universum zijn.
Dit is natuurlijk niet de eerste zoektocht naar deeltjes met een lange levensduur, maar het is de meest uitgebreide, waarbij bijna het volledige gewicht van ladingen experimentele records bij de Large Hadron Collider wordt gebruikt..
En het grote resultaat: niets. Nul. Zilch. Nada.
Geen enkel teken van langlevende deeltjes.
Betekent dit dat dat idee ook dood is? Niet helemaal - deze instrumenten zijn niet echt ontworpen om op jacht te gaan naar dit soort wilde beesten, en we schrapen alleen maar voorbij met wat we hebben. Er is misschien nog een generatie experimenten nodig die speciaal zijn ontworpen om langlevende deeltjes op te vangen voordat we er daadwerkelijk een vangen.
Of, nog deprimerender, ze bestaan niet. En dat zou betekenen dat deze wezens - samen met hun supersymmetrische partners - eigenlijk gewoon geesten zijn die zijn bedacht door koortsachtige natuurkundigen, en wat we eigenlijk nodig hebben is een geheel nieuw raamwerk voor het oplossen van enkele van de openstaande problemen van de moderne natuurkunde..
- Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature
- Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)
- De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie
Oorspronkelijk gepubliceerd op .
Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.