De bijbel van de deeltjesfysica sterft voor een upgrade. En natuurkundigen hebben misschien precies het ding: sommige deeltjes en krachten kunnen in de spiegel kijken en zichzelf niet herkennen. Dat zou op zichzelf het zogenaamde standaardmodel in een stroomversnelling brengen.
Vrijwel alle fundamentele reacties tussen de subatomaire deeltjes van het universum zien er hetzelfde uit als ze in een spiegel worden rondgedraaid. Het spiegelbeeld, pariteit genoemd, wordt dan symmetrisch genoemd, of heeft pariteitssymmetrie, in de natuurkunde.
Natuurlijk volgt niet iedereen de regels. We weten bijvoorbeeld dat reacties waarbij de zwakke kernkracht betrokken is, die ook om allerlei andere redenen raar is, de pariteitssymmetrie schenden. Het spreekt dus voor zich dat andere krachten en deeltjes in de kwantumwereld op dit gebied ook regelbrekers zijn.
Natuurkundigen hebben enkele ideeën over deze andere hypothetische reacties die er in de spiegel niet hetzelfde zouden uitzien en daarom de pariteitssymmetrie zouden schenden. Deze vreemde reacties kunnen ons wijzen op nieuwe fysica die ons kan helpen voorbij het standaardmodel van de deeltjesfysica te komen, onze huidige samenvatting van alle dingen die subatomair zijn.
Helaas zullen we de meeste van deze vreemde reacties nooit zien in onze atoomvernietigers en laboratoria. De interacties zijn gewoon te zeldzaam en zwak om te detecteren met onze instrumenten, die zijn afgestemd op andere soorten interacties. Maar er kunnen enkele zeldzame uitzonderingen zijn. Onderzoekers van 's werelds grootste atoomvernietiger, de Large Hadron Collider (LHC), in de buurt van Genève, zijn op jacht naar deze zeldzame interacties. Tot nu toe stonden ze met lege handen, maar zelfs dat resultaat is verhelderend. Die negatieve resultaten helpen vruchteloze hypothesen uit de weg te ruimen, waardoor natuurkundigen zich kunnen concentreren op meer veelbelovende wegen in de jacht op nieuwe fysica.
Spiegeltje spiegeltje aan de wand
Een van de belangrijkste concepten in de natuurkunde is symmetrie. Je zou zelfs redelijkerwijs kunnen stellen dat natuurkundigen gewoon symmetriejagers zijn. Symmetrieën onthullen de fundamentele natuurwetten die de diepste werking van de werkelijkheid beheersen. Symmetrie is een groot probleem.
Dus wat is het? Een symmetrie betekent dat als je één element in een proces of interactie verandert, het proces hetzelfde blijft. Natuurkundigen zeggen dan dat het proces symmetrisch is ten opzichte van die verandering. Ik ben hier opzettelijk vaag omdat er zoveel verschillende soorten symmetrie zijn. Soms kunt u bijvoorbeeld het teken van de ladingen op deeltjes wijzigen, soms kunt u processen vooruit of achteruit in de tijd uitvoeren en soms kunt u een spiegelbeeldversie van het proces uitvoeren.
Deze laatste, kijkend naar een proces in de spiegel, wordt de symmetrie van pariteit genoemd. De meeste subatomaire interacties in de natuurkunde geven je exact hetzelfde resultaat, of ze nu recht voor je of in de spiegel worden gedaan. Maar sommige interacties schenden deze symmetrie, zoals de zwakke kernkracht, vooral wanneer neutrino's worden geproduceerd in interacties waarbij die kracht betrokken is.
Neutrino's draaien altijd "achteruit" (met andere woorden, de as van hun spin wijst weg van hun bewegingsrichting), terwijl antineutrino's "vooruit" draaien (hun as van spinpunten recht vooruit terwijl ze rondvliegen). Dat betekent dat er heel subtiele verschillen zijn in het aantal geproduceerde neutrino's en antineutrino's als je een regelmatig, versus een gespiegeld experiment uitvoert dat vertrouwt op de zwakke kernkracht.
Gebroken spiegels
Voor zover we weten, schenden de zwakke kernkracht en de zwakke kernkracht alleen de symmetrie van pariteit. Maar misschien is het niet de enige.
We weten dat er fysica moet bestaan die verder gaat dan wat we momenteel begrijpen. En sommige van die hypothetische ideeën en concepten zijn ook in strijd met de symmetrie van pariteit. Sommige van deze theorieën voorspellen bijvoorbeeld subtiele asymmetrieën in anders normale interacties waarbij de soorten deeltjes betrokken zijn die de LHC doorgaans onderzoekt.
Deze hypothetische ideeën zijn natuurlijk exotisch, complex en erg moeilijk te testen. En in veel gevallen weten we niet precies wat we zoeken.
Het probleem is dat hoewel we weten dat onze huidige opvatting van de deeltjeswereld, het standaardmodel genoemd, onvolledig is, we niet weten waar we naar vervanging moeten zoeken. Veel natuurkundigen hoopten dat de LHC iets zou onthullen - een nieuw deeltje, een nieuwe interactie, wat dan ook - dat ons zou wijzen op iets nieuws en opwindends, maar tot nu toe zijn al die zoekopdrachten mislukt.
Veel van de vroegere koplopertheorieën over wat verder gaat dan het standaardmodel (zoals supersymmetrie) worden langzaam uitgesloten. Dit is waar pariteit-symmetrie-overtreding van pas kan komen.
Bijna alle gebruikelijke hypothetische uitbreidingen van het standaardmodel omvatten de beperking dat alleen de zwakke kernkracht de pariteitssymmetrie schendt. (Dit is ingebakken in de fundamentele wiskunde van de modellen, voor het geval je je afvroeg hoe dit werkt.) Dat betekent dat begrippen als supersymmetrie, axions en leptoquarks deze symmetrie precies laten breken waar ze is, en nergens anders.
Maar kijk, mensen, als deze veelvoorkomende extensies niet uitpakken, is het misschien tijd om onze horizon te verbreden.
Pariteit terugnemen
Daarom zocht een team van onderzoekers naar pariteitsschendingen in een cache met gegevens die zijn vrijgegeven door het Compact Muon Solenoid (CMS) -experiment bij de LHC; ze hebben hun resultaten gedetailleerd beschreven in een studie die op 29 april is gepubliceerd op de preprint-server arXiv. Dit was een behoorlijk lastige zoektocht, omdat de LHC niet echt is ingesteld om te zoeken naar schendingen van pariteit. Maar de onderzoekers bedachten slim een manier om dit te doen door de restanten te onderzoeken in interacties tussen andere deeltjes.
Het resultaat: er zijn geen aanwijzingen voor schending van de pariteit gevonden. Hoera voor het standaardmodel (opnieuw). Hoewel het een beetje teleurstellend is dat dit onderzoek geen nieuwe grens van de fysica opende, zal het toekomstige zoekopdrachten helpen verduidelijken. Als we blijven zoeken en nog steeds geen bewijs leveren voor pariteitsschending buiten de zwakke kernkracht, dan weten we dat alles wat buiten het standaardmodel ligt, dezelfde wiskundige structuren moet hebben als die steunpilaartheorie en alleen de zwakke kernkracht mag toestaan zien er anders uit in de spiegel.
