Een Higgs-deeltje vergaat bij deze botsing, geregistreerd door de ATLAS-detector op 18 mei 2012.
(Afbeelding: © ATLAS)
Paul M. Sutter is astrofysicus bij SUNY Stony Brook en gastheer van het Flatiron Institute Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van "Jouw plaats in het universum.'Sutter heeft dit artikel bijgedragen Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Symmetrieën in de natuur versterken ons fundamentele begrip van de kosmos, van de universaliteit van de zwaartekracht tot de eenwording van de natuurkrachten bij hoge energieën.
In de jaren zeventig ontdekten natuurkundigen een potentiële symmetrie die alle soorten deeltjes in ons universum verenigde, van de elektronen tot de fotonen en alles daartussenin. Deze verbinding, bekend als supersymmetrie, vertrouwt op de vreemde kwantumeigenschap van spin en is mogelijk de sleutel tot het ontsluiten van een nieuw begrip van de natuurkunde.
Symmetrieën zijn macht
Eeuwenlang hebben symmetrieën natuurkundigen in staat gesteld om onderliggende verbindingen en fundamentele relaties in het hele universum te vinden. Wanneer Isaac Newton klikte eerst op het idee dat de zwaartekracht die een appel uit een boom trekt exact dezelfde kracht is die de maan in een baan om de zon houdt, hij ontdekte een symmetrie: de wetten van de zwaartekracht zijn echt universeel. Dit inzicht stelde hem in staat een enorme sprong te maken in het begrijpen hoe de natuur werkt.
Gedurende de 19e eeuw puzzelden natuurkundigen over de hele wereld over de vreemde eigenschappen van elektriciteit, magnetisme en straling. Wat zorgde ervoor dat elektrische stroom door een draad stroomde? Hoe kan een draaiende magneet diezelfde stroom rondduwen? Was licht een golf of een deeltje? Tientallen jaren van moeilijk nadenken mondden uit in een zuivere wiskundige doorbraak van James Clerk Maxwell, die al deze verschillende onderzoekstakken verenigde onder een enkele reeks eenvoudige vergelijkingen: elektromagnetisme.
Albert Einstein maakte ook zijn stempel door Newton's inzichten een stap verder te brengen. Uitgaande van het feit dat alle natuurkundige wetten hetzelfde moeten zijn, ongeacht je positie of snelheid, onthulde hij speciale relativiteit; de noties van tijd en ruimte moesten herschreven worden om deze symmetrie van de natuur te behouden. En het toevoegen van zwaartekracht aan die mix leidde hem naar algemene relativiteit, ons moderne begrip van die kracht.
Zelfs onze behoudswetten - het behoud van energie, het behoud van momentum enzovoort - zijn afhankelijk van symmetrie. Het feit dat je elke dag een experiment kunt uitvoeren en hetzelfde resultaat kunt krijgen, onthult een symmetrie in de tijd, die door het wiskundige genie van Emmy Noether leidt tot de wet van gesprek van energie. En als je je experiment oppakt en het door de kamer verplaatst en toch hetzelfde resultaat krijgt, ontdekte je zojuist een symmetrie door de ruimte en de bijbehorende instandhouding van het momentum.
Een draaiende spiegel
In de macroscopische wereld vat dat zowat alle symmetrieën samen die we in de natuur zijn tegengekomen. Maar de subatomaire wereld is een ander verhaal. De fundamentele deeltjes van ons universum een interessante eigenschap hebben die bekend staat als 'spin'. Het werd voor het eerst ontdekt in experimenten waarbij atomen door een gevarieerd magnetisch veld werden geschoten, waardoor hun paden op precies dezelfde manier afbuigden als een draaiende, elektrisch geladen metalen bal.
Maar subatomaire deeltjes zijn geen draaiende, elektrisch geladen metalen kogels; ze gedragen zich gewoon zoals zij in bepaalde experimenten. En in tegenstelling tot hun gewone wereldanalogen, kunnen subatomaire deeltjes niet de gewenste rotatie hebben. In plaats daarvan krijgt elk soort deeltje zijn eigen unieke hoeveelheid spin.
Om verschillende obscure wiskundige redenen krijgen sommige deeltjes zoals het elektron een spin van ½, terwijl andere deeltjes zoals het foton een spin van 1 krijgen. Als je je afvraagt hoe een foton zich zou kunnen gedragen als een draaiende, geladen metalen bal, dan zweet het niet te veel; je bent vrij om "spin" te zien als weer een andere eigenschap van subatomaire deeltjes die we moeten bijhouden, zoals hun massa en lading. En sommige deeltjes hebben meer van deze eigenschap en sommige hebben minder.
Over het algemeen zijn er twee grote "families" van deeltjes: die met een half-integer (1/2, 3/2, 5/2, etc.) spin, en die met een geheel-integer (0, 1, 2, enz.) .) draaien. De halfsies worden "fermionen" genoemd en bestaan uit de bouwstenen van onze wereld: elektronen, quarks, neutrino's enzovoort. De wholsies worden 'bosonen' genoemd en zijn de dragers van de natuurkrachten: fotonen, gluonen en de rest.
Op het eerste gezicht konden deze twee families van deeltjes onmogelijk anders zijn.
Symfonie van spartikels
In de jaren zeventig, snaartheoretici begon kritisch naar deze eigenschap van spin te kijken en begon zich af te vragen of er daar een symmetrie van de natuur zou kunnen zijn. Het idee breidde zich snel uit buiten de snaargemeenschap en werd een actief onderzoeksgebied in de deeltjesfysica. Als dat waar is, zou deze 'supersymmetrie' deze twee schijnbaar ongelijksoortige families van deeltjes verenigen. Maar hoe zou deze supersymmetrie eruit zien?
De basis is dat, in supersymmetrie, elk fermion een "superpartner deeltje" (of "sparticle" zou hebben - en de namen zullen alleen maar erger worden) in de bosonwereld, en vice versa, met exact dezelfde massa en opladen maar een andere draai.
Maar als we op zoek gaan naar de deeltjes, vinden we er geen. Het spartikel van het elektron (het "selectron") zou bijvoorbeeld dezelfde massa en lading moeten hebben als het elektron, maar een spin van 1.
Dat deeltje bestaat niet.
Dus op de een of andere manier moet deze symmetrie in ons universum worden verbroken en de massa's van de deeltjes opdrijven buiten het bereik van onze deeltjesbotsers. Er zijn veel verschillende manieren om supersymmetrie te bereiken, ze voorspellen allemaal verschillende massa's voor de selectrons, de stop-quarks, de sneutrino's en alle anderen.
Tot op heden is er geen bewijs gevonden voor supersymmetrie en experimenten bij de Large Hadron Collider hebben de eenvoudigste supersymmetrische modellen uitgesloten. Hoewel het niet echt de laatste spijker in de kist is, krabben theoretici zich af en vragen zich af of supersymmetrie niet echt in de natuur voorkomt, en waar we aan moeten denken als we niets kunnen vinden.
- The Universe: Big Bang tot nu toe in 10 eenvoudige stappen
- 'Supergravity'-theoretici winnen $ 3 miljoen Physics Breakthrough Prize
- Mysterieuze deeltjes die uit Antarctica spuwen, tarten de natuurkunde
Lees meer door naar de aflevering te luisteren "Is snaartheorie het waard? (Deel 4: Wat we nodig hebben is een superheld)" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunesen op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter. Volg ons op Twitter @Spacedotcom of Facebook.
