De heersende theorie van de deeltjesfysica legt alles uit over de subatomaire wereld ... behalve de delen die dat niet zijn. En helaas zijn er niet veel flatterende bijvoeglijke naamwoorden die kunnen worden toegepast op het zogenaamde standaardmodel. Deze theorie van fundamentele fysica is in de loop van decennia beetje bij beetje opgebouwd en kan het best worden omschreven als lomp, mengelmoes en MacGyver-ed 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 enkele opvallende tekortkomingen: het bevat geen zwaartekracht; het kan de massa van verschillende deeltjes niet verklaren, waarvan sommige kracht verlenen; het heeft geen verklaring voor bepaald neutrino-gedrag; en het heeft 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 toonaangevende kanshebbers om dit grote verder te verklaren - supersymmetrische theorieën genoemd - de afgelopen jaren uitgesloten of ernstig beperkt. Er is nog steeds een concept van Weesgegroet dat de mysterieuze delen van het universum zou kunnen verklaren die niet onder het standaardmodel vallen: langlevende supersymmetrische deeltjes, ook wel kortweg spartikels genoemd. Maar deprimerend is een recente zoektocht naar deze excentrieke deeltjes met lege handen teruggekomen.
Niet zo super symmetrie
Verreweg de meest trendy 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 vreemd soort verwantschap. Elk afzonderlijk 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 meestal veel, veel zwaarder, vreemder en zien ze er in het algemeen vreemder uit.
Dit verschil in massa tussen de bekende deeltjes en hun superpartners is het resultaat van iets dat symmetrie-breking wordt genoemd. Dit betekent dat bij hoge energieën (zoals de binnenkant van deeltjesversnellers) de wiskundige relaties tussen deeltjes en hun partners gelijkmatig verlopen, wat leidt tot gelijke massa's. Bij lage energieën (zoals de energieniveaus die je in het normale dagelijkse leven ervaart), wordt deze symmetrie echter verbroken, waardoor de massa's van de deeltjespartikels omhoog schieten. Dit mechanisme is belangrijk, omdat het ook potentieel 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 brak iets in het universum, waardoor de normale deeltjes drastisch minder massief werden dan hun superpartners. Diezelfde brekende actie kan de zwaartekracht hebben bestraft en de kracht ervan ten opzichte van de andere krachten verminderen. Handig.
Leef lang en bloei
Om op supersymmetrie te jagen, kwam een stel natuurkundigen bij en bouwde de atoomvernietiger genaamd de Large Hadron Collider, die na jaren van moeizaam zoeken tot de verrassende maar teleurstellende conclusie kwam dat bijna alle supersymmetriemodellen fout waren.
Oeps.
Simpel gezegd, we kunnen geen partnerdeeltjes vinden. Nul. Zilch. Nada. Er zijn geen hints van supersymmetrie verschenen in 's werelds krachtigste botser, waar deeltjes met bijna lichte snelheid rond een cirkelvormig ding worden geritst voordat ze met elkaar in botsing komen, wat soms resulteert in de productie van exotische nieuwe deeltjes. Het betekent niet per se 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 weesgegroetje zijn: langlevende deeltjes.
In het land van de deeltjesfysica geldt: hoe massiever je bent, hoe onstabieler je bent en hoe sneller je vervalt in eenvoudigere, lichtere deeltjes. Het is gewoon zoals het is. Aangezien de partnerpartikels naar verwachting allemaal zwaar zullen zijn (anders hadden we ze nu wel gezien), verwachtten we dat ze snel zouden vervallen in buien van andere dingen die we zouden kunnen herkennen, en dan zouden we onze detectoren dienovereenkomstig hebben gebouwd.
Maar wat als de partnerdeeltjes lang meegaan? Wat als, door een of andere eigenaardigheid van exotische fysica (geef theoretici een paar uur om erover na te denken, en ze zullen meer dan genoeg eigenaardigheden verzinnen om het te laten gebeuren), deze deeltjes erin slagen om de grenzen van onze detectoren te ontsnappen voordat ze plichtsgetrouw vervallen in iets minder vreemd? In dit scenario zouden onze zoekopdrachten volledig leeg zijn, simpelweg omdat we niet ver genoeg weg keken. Onze detectoren zijn ook 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, meldden leden van de ATLAS-samenwerking (een wat onhandige afkorting voor A Toroidal LHC ApparatuS) bij de Large Hadron Collider een onderzoek naar dergelijke langlevende deeltjes. Met de huidige experimentele opzet konden ze niet zoeken naar alle mogelijke langlevende deeltjes, maar wel naar neutrale deeltjes met massa's tussen de 5 en 400 keer die van het proton.
Het ATLAS-team zocht de langlevende deeltjes niet in het midden van de detector, maar aan de randen, waardoor de deeltjes overal van een paar centimeter tot een paar meter konden reizen. 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 langlevende deeltjes, maar het is de meest uitgebreide, met bijna het volledige gewicht van ladingen experimentele records bij de Large Hadron Collider.
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 waren niet echt ontworpen om op jacht te gaan naar dit soort wilde beesten, en we krabbelen alleen maar met wat we hebben. Het kan een nieuwe generatie experimenten vergen die speciaal zijn ontworpen om langlevende deeltjes op te vangen voordat we er daadwerkelijk een vangen.
Of, meer deprimerend, ze bestaan niet. En dat zou betekenen dat deze wezens - samen met hun supersymmetrische partners - eigenlijk gewoon geesten zijn die door koortsachtige natuurkundigen zijn verzonnen, en wat we eigenlijk nodig hebben is een geheel nieuw raamwerk voor het oplossen van enkele van de opmerkelijke problemen van de moderne natuurkunde.
