Het klinkt als het begin van een heel slecht natuurkundig raadsel: ik ben een deeltje dat dat echt niet is; Ik verdwijn voordat ik zelfs maar kan worden gedetecteerd, maar toch kan worden gezien. Ik verbreek je begrip van natuurkunde, maar reviseer je kennis niet. Wie ben ik?
Het is een odderon, een deeltje dat zelfs nog vreemder is dan de naam doet vermoeden, en het is mogelijk onlangs ontdekt bij de Large Hadron Collider, de krachtigste atoomverpletteraar, waar deeltjes met een bijna lichte snelheid worden geritst van ongeveer 17 mijl lang ( 27 kilometer) ring bij Genève in Zwitserland.
Het is gewoon ingewikkeld
Ten eerste is de odderon niet echt een deeltje. Wat we beschouwen als deeltjes zijn meestal erg stabiel: elektronen, protonen, quarks, neutrino's enzovoort. Je kunt er een aantal in je hand houden en met je meedragen. Hé, je hand is er letterlijk van gemaakt. En je hand verdwijnt niet snel in het niets, dus we kunnen waarschijnlijk aannemen dat de fundamentele deeltjes er voor de lange termijn in zitten.
Er zijn andere deeltjes die niet lang meegaan, maar toch deeltjes worden genoemd. Ondanks hun korte levensduur blijven ze deeltjes. Ze zijn gratis, onafhankelijk en in staat om zelfstandig te leven, los van alle interacties - dat zijn de kenmerken van een echt deeltje.
En dan is er het zogenaamde quasideeltje, dat slechts een stap hoger is dan helemaal geen deeltje zijn. Quasiparticles zijn niet bepaald deeltjes, maar ze zijn ook niet bepaald fictie. Het is gewoon ... ingewikkeld.
Zoals in, letterlijk ingewikkeld. In het bijzonder worden interacties van deeltjes bij superhoge snelheden gecompliceerd. Als twee protonen bijna met de snelheid van het licht tegen elkaar botsen, is het niet alsof twee biljartballen tegen elkaar kraken. Het lijkt meer op twee klodders kwallen die in elkaar waggelen, hun ingewanden binnenstebuiten keren en alles opnieuw gerangschikt krijgen voordat ze terugkeren naar kwallen op weg naar buiten.
Quasi voelen
In al deze ingewikkelde rommel verschijnen soms vreemde patronen. Kleine deeltjes springen in een oogwenk in en uit het bestaan en worden gevolgd door nog een vluchtig deeltje - en nog een. Soms verschijnen deze flitsen van deeltjes in een bepaalde volgorde of patroon. Soms zijn het zelfs helemaal geen flitsen van deeltjes, maar slechts trillingen in de soep van het mengsel van de botsing - trillingen die de aanwezigheid van een voorbijgaand deeltje suggereren.
Hier staan natuurkundigen voor een wiskundig dilemma. Ze kunnen ofwel proberen alle ingewikkelde rommeligheid die tot deze bruisende patronen leidt volledig te beschrijven, of ze kunnen doen - puur voor het gemak - dat deze patronen op zichzelf 'deeltjes' zijn, maar met vreemde eigenschappen, zoals negatieve massa's en spins die veranderen met de tijd.
Natuurkundigen kiezen voor de laatste optie en zo wordt het quasideeltje geboren. Quasodeeltjes zijn korte, bruisende patronen of rimpelingen van energie die verschijnen te midden van een botsing met een hoog energetisch deeltje. Maar omdat er veel legwerk voor nodig is om die situatie wiskundig volledig te beschrijven, nemen natuurkundigen een aantal snelkoppelingen en doen alsof deze patronen hun eigen deeltjes zijn. Het is gedaan om de wiskunde gemakkelijker te hanteren te maken. Quasideeltjes worden dus behandeld als deeltjes, ook al zijn ze dat zeker niet.
Het is alsof je doet alsof de grappen van je oom eigenlijk grappig zijn. Hij is quasifunny puur voor het gemak.
'S Avonds de kansen
Een bepaald soort quasideeltje wordt de odderon genoemd, die naar verwachting in de jaren zeventig zou bestaan. Er wordt gedacht dat het verschijnt wanneer een oneven aantal quarks - piepkleine deeltjes die de bouwstenen van materie zijn - kort in en uit het bestaan flitsen tijdens proton- en antiproton-botsingen. Als er odderons aanwezig zijn in dit smashup-scenario, zal er een klein verschil zijn in de dwarsdoorsneden (natuurkundig jargon voor hoe gemakkelijk het ene deeltje het andere raakt) van botsingen tussen deeltjes met zichzelf en met hun antideeltjes.
Dus als we bijvoorbeeld een aantal protonen tegen elkaar slaan, kunnen we een doorsnede voor die interactie berekenen. Vervolgens kunnen we deze oefening herhalen voor proton-antiproton-botsingen. In een wereld zonder odderons zouden deze twee doorsneden identiek moeten zijn. Maar odderons veranderen het beeld - deze korte patronen die we odderons noemen, verschijnen gunstiger in deeltjesdeeltjes dan botsingen tussen antideeltjes en antideeltjes, die de dwarsdoorsneden enigszins zullen wijzigen.
Het probleem is dat dit verschil naar verwachting heel, heel klein zal zijn, dus je hebt een hoop gebeurtenissen of botsingen nodig voordat je een detectie zou kunnen claimen.
Als we nu maar een gigantische deeltjesbotser hadden die regelmatig protonen en antiprotonen tegen elkaar sloeg, en het deed met zulke hoge energieën en zo vaak dat we betrouwbare statistieken konden krijgen. Oh, juist: dat doen we, de Large Hadron Collider.
In een recent artikel, gepubliceerd op 26 maart op de preprint-server arXiv, de TOTEM-samenwerking (in het hilarische jargon acroniemen van hoge-energiefysica, staat TOTEM voor "TOTale dwarsdoorsnede, elastische verstrooiing en diffractiedissociatie-meting bij de LHC") gerapporteerd significante verschillen tussen de dwarsdoorsneden van protonen die andere protonen verpletteren versus protonen die tegen antiprotonen slaan. En de enige manier om het verschil uit te leggen, is door dit decennia-oude idee van de odderon weer tot leven te wekken. Er zijn misschien andere verklaringen voor de gegevens (met andere woorden, andere vormen van exotische deeltjes), maar odderons, hoe vreemd het ook lijkt, lijken de beste kandidaat.
Heeft TOTEM iets nieuws en funky ontdekt over het universum? Zeker. Heeft TOTEM een gloednieuw deeltje ontdekt? Nee, omdat odderons quasi-deeltjes zijn, geen deeltjes op zich. Helpt het ons nog steeds om de grenzen van de bekende fysica te overschrijden? Zeker. Breekt het de bekende fysica? Nee, omdat voorspeld werd dat odderons zouden bestaan binnen ons huidige begrip.
Vind je dat allemaal een beetje vreemd?
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
