Op zoek naar supersymmetrie
Natuurwetenschap en Techniek, jrg. 78, nr. 2, febr. 2010, blz. 36Door: Anil Anathaswamy
(Zie benedenaan dit artikel voor een overzicht van de gevonden deeltjes van het Standaardmodel en de veronderstelde deeltjes van de supersymmetrietheorie.)
Met groot ceremonieel - om nog maar te zwijgen over duistere geruchten dat het eind van de wereld ophanden was - startte in september 2008 de Large Hadron Collider op, de machtigste deeltjesversneller ter wereld. Negen dagen later legden een kortsluiting en een catastrofaal heliumlek de machine roemloos stil. Inmiddels is de LHC bezig met een herkansing. In december 2009 begonnen bundels protonen weer rondjes te draaien door de ring onder CERN, de locatie van de LHC nabij Geneve, Zwitserland.
Het Standaardmodel
Nobelprijswinnaar Steven Weinberg maakt zich zorgen. Niet dat hij denkt dat de LHC een zwart gat gaat produceren waarin de aarde verdwijnt, of dat de herstart net zo'n fiasco zal worden als een jaar eerder. Nee, hij maakt zich zorgen dat de LHC juist dat zal vinden wat sommigen aanduiden als 'het God-deeltje', de populaire en genant grootsprakige bijnaam van het nog altijd niet gedetecteerde higgsboson.
"Ik zit in de rats", zegt hij. "De ontdekking van het higgsdeeltje zou echt een crisis betekenen." Waarom is dat zo? Bewijs voor het bestaan van 'higgs' zou de sluitsteen zijn van een gebouw waar deeltjesfysici een halve eeuw aan gebouwd hebben - namelijk de fenomenaal succesvolle theorie met de simpele naam Standaardmodel. Het beschrijft alle bekende deeltjes en drie van de vier krachten die tussen ze werken: elektromagnetisme, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.
Het model is ook duidelijk incompleet. We weten, vanwege wat de theorie niet verklaart, dat hij deel van iets groters moet zijn. Dus als de LHC higgsdeeltjes vindt en niets anders dan higgs, dan is het Standaardmodel afgesloten. Maar dan zit de deeltjesfysica in een doodlopende straat, zonder enige hint welke kant het op moet.
Vandaar Weinbergs zorgen. Echter, als de theoretici gelijk hebben, zal de LHC nog voordat higgsdeeltjes opduiken een glimp opvangen van iets veel groters: de grootse, overkoepelende theorie die bekend staat als supersymmetrie. Susy, zoals zijn koosnaampje luidt, is een gewaagd concept dat het aantal deeltjes, nodig om de wereld te verklaren, verdubbelt. En het zou best eens kunnen zijn wat deeltjesfysici nodig hebben om hen de weg te wijzen naar een nieuw pad der verlichting.
Maar wat is er dan mis met het Standaardmodel? Ten eerste gaat het mank aan een aantal lacunes. Het heeft niets te melden over de vierde fundamentele natuurkracht, de zwaartekracht en het zwijgt ook over de aard van donkere materie. Donkere materie is geen triviale zaak: als onze interpretatie van bepaalde astronomische waarnemingen correct is, legt die stof vier keer meer gewicht in de schaal dan de gewone materie in het heelal.
Het hiërarchie-probleem
Maar ironisch genoeg beginnen de problemen al bij higgs zelf. De higgsdeeltjes werden uitgevonden om een waarlijk gewichtig probleem op te lossen; het feit dat - de bouwstenen van gewone materie: de fermionen, zoals elektronen en quarks, - en de deeltjes die krachten overbrengen: de bosonen, bijna allemaal een eigenschap hebben die wij massa noemen. De theorie kon geen reden geven voor de massa's van de deeltjes, noch ze voorspellen; ze moesten experimenteel gemeten worden en daarna handmatig aan de theorie toegevoegd.
Deze 'vrije parameters' waren genante losse eindjes in de theorie die zijn samengeknoopt tot wat uiteindelijk het Standaardmodel is geworden. In 1964 stuitten Peter Higgs van de universiteit van Edinburgh en Francois Englert en Robert Brout van de Vrije Universiteit Brussel onafhankelijk van elkaar op een mechanisme om ze aan elkaar te knopen.
Dat mechanisme was een verborgen quantumveld dat het complete heelal vult. Dit veld - later naar Higgs genoemd - verleent massa aan alle deeltjes. De massa van een elementair deeltje zoals een elektron of quark hangt af van zijn interactie met het higgsveld, waarvan de quanta de higgsbosonen zijn.
Dit soort velden zijn een kernconcept in het Standaardmodel, aangezien die beschrijven hoe de elektromagnetische en de zwakke en sterke kernkracht werken op deeltjes middels het uitwisselen van diverse bosonen: de W- en Z-bosonen, gluonen en fotonen. Maar de higgstheorie, hoewel elegant, heeft een staart met een gemene angel: Wat is de massa van het higgsdeeltje zelf? Deze zou moeten bestaan uit een kale massa plus bijdragen uit de interacties met alle andere elementaire deeltjes. Als je al die bijdragen optelt, wordt de higgsmassa erg groot.
De al bekende experimentele aanwijzingen suggereren dat de higgsmassa ergens tussen 114 en 180 giga-elektronvolt ligt - 120 tot 190 keer de massa van een proton of neutron, een energie die de LHC met gemak haalt. Theoretische berekeningen leveren echter waarden op die 17 of 18 orden van grootte hoger liggen - een catastrofale discrepantie die bekend staat als 'het hiërarchie-probleem'. De enige manier om er in het Standaardmodel vanaf te komen is, door een aantal parameters te fine-tunen met een nauwkeurigheid van 1:1034, iets wat fysici onnatuurlijk en weerzinwekkend vinden.
Het hiërarchie-probleem is niet het enige manco in het Standaardmodel. Er is ook nog het probleem hoe alle krachten geünificeerd moeten worden. In het hedendaagse heelal hebben de drie krachten waar het Standaardmodel over gaat, ver uiteenlopende sterkten en reikwijdten. Binnenin atomen is de sterke kernkracht de sterkste, de zwakke kernkracht het zwakste en de elektromagnetische kracht zit daar tussenin.
Eind jaren zestig lieten Weinberg, toen verbonden aan de universiteit van Harvard, samen met Abdus Salain en Sheldon Glashow zien dat dit niet altijd zo is geweest. Bij de hoge energieniveaus die in het vroege heelal heersen, hebben de elektromagnetische en de zwakke kracht dezelfde sterkte; het zijn feitelijk één en dezelfde kracht. Het idee was dat de sterke kernkracht zich daar wel bij zou voegen als je maar ver genoeg terug naar de oerknal extrapoleert, zodat ze alledrie samensmelten tot één enkele superkracht.
In 1974 toonden Weinberg en zijn collega's Helen Quinn en Howard Georgi aan dat het Standaardmodel dat inderdaad voor elkaar kreeg - maar slechts bij benadering. Hoewel aanvankelijk gevierd als een groot succes, werd deze net niet exacte unificatie al snel een hoofdpijndossier voor fysici die aan unificatietheorieën werkten.
Supersymmetrie
Rond deze tijd maakte supersymmetrie zijn entree, eerst in werk van de Sovjet-fysici Yuri Gelfland en Ievgeny Lichtman, dat echter nooit echt tot het Westen doordrong. Het was aan Julius Wess van de universiteit van Karlsruhe en Bruno Zumino van de universiteit van Californië te danken dat deze radicale aanpak een paar jaar later brede bekendheid kreeg.
Wess en Zumino wilden het favoriete simplificerende principe van fysici - symmetrie - toepassen op de 'dierentuin' van elementaire deeltjes. Hun doel was om aan te tonen dat de scheidslijn in het domein van de elementaire deeltjes tussen fermionen en bosonen het gevolg was van een verloren gegane symmetrie in het vroege universum.
De supersymmetrietheorie
boven reeds bekende elementaire deeltjes,
onder hun nog te ontdekken wederhelften
afbeelding: Merel Haasnoot
1. De sleutel tot de theorie is dat de deeltjes en hun superpartners in de gloeiend hete oerwolk in het vroege heelal niet te onderscheiden waren. Elk paar bestond als één massaloos ding. Maar toen het heelal expandeerde en afkoelde, werd deze supersymmetrie verbroken. Partners en superpartners gingen elk hun eigen weg en werden verschillende deeltjes, elk met hun eigen massa.
2. Supersymmetrie was een gewaagd idee, maar behalve de aantrekkelijkheid voor symmetrie-aanhangers waren er weinig argumenten voor. Op één na: de toepassing op het hiërarchie-probleem.
Supersymmetrie bleek al die hinderlijke bijdragen van de higgsinteracties met de andere elementaire deeltjes in bedwang te houden, zodat de massa van het higgsdeeltje niet meer de pan uit rijst. Ze vallen gewoon allemaal weg tegen de bijdragen van hun supersymmetrische partners. "Supersymmetrie maakt dat wegvallen heel natuurlijk", zegt Nathan Seiberg van het Institute for Advanced Studies in Princeton.
3. Lijnen
Maar dat is nog niet alles. In 1981 deed Georgi, samen met Savas Dimopoulos van de universiteit van Stanford, de reünificatie-berekeningen die hij met Weinberg en Quin had gedaan nog eens over, maar deze keer mét supersymmetrie erbij. Ze ontdekten dat de drie lijnen die overeenkomen met de sterkte van de drie krachten met verbazingwekkende nauwkeurigheid samenkomen in één tijdstip, in het vroege heelal. "Als je twee lijnen hebt, is het niet verrassend dat ze elkaar ergens snijden," merkt Weinberg op. "Maar als je drie lijnen hebt die elkaar in een punt snijden, dan is dat bepaald niet onbelangrijk." Dit tweede succes voor supersymmetrie was genoeg om vele natuurkundigen te bekeren tot ware gelovigen. Maar het werd pas echt interessant toen ze een paar vragen begonnen te bestuderen die de nieuwe theorie opwierp.
4. Een knagende vraag betrof de hedendaagse verblijfplaats van de supersymmetrische deeltjes. Elektronen, protonen en dergelijke zijn overal om ons heen, maar van de selektronen en fotino's is geen spoor te bekennen, noch in de natuur, noch in enig hoge-energie-experiment in deeltjesversnellers. Als deze deeltjes bestaan, moeten ze extreem zwaar zijn, zodat een enorme hoeveelheid energie nodig is om ze te maken.
Zulke zware deeltjes zouden lang geleden vervallen moeten zijn tot een residu van de lichtste, stabiele supersymmetrische deeltjes, de zogeheten neutralino's. Hoewel nog steeds zwaar, heeft het neutralino geen elektrische lading en het gaat alleen een extreem zwakke interactie aan met normale materie door de zwakke kernkracht. Het is dus weinig verrassend dat het tot op heden niet gedetecteerd is.
Toen natuurkundigen uitrekenden hoeveel er precies van het neutralino-residu moest zijn, stonden ze paf. Die hoeveelheid was enorm - veel meer dan alle normale materie in het heelal. Begint dit bekend te klinken? Inderdaad: het zag er naar uit dat de neutralino's aan alle vereisten voldeden voor de donkere materie die volgens astronomische waarnemingen het heelal moet domineren. Een derde succes voor supersymmetrie.
Elk van de drie vragen die supersymmetrie wil beantwoorden - het hiërarchieprobleem, reünificatie en donkere materie - zou zijn eigen unieke antwoord kunnen hebben. Maar natuurkundigen hebben altijd liever een theorie die meer dan één kunstje kan. "Het geeft echt vertrouwen dat één idee alledrie deze logisch gezien onafhankelijke vragen beantwoordt," zegt Seiberg.
5. Het domein van supersymmetrie houdt daar niet op. Zoals Seiberg en zijn collega Edward Witten hebben laten zien, kan de theorie ook verklaren waarom quarks nooit in hun eentje worden waargenomen, maar altijd door de sterke kernkracht worden opgehokt in grotere deeltjes zoals protonen en neutronen. In het Standaardmodel is er geen wiskundige reden waarom dat zo zou zijn; met supersymmetrie komt die eigenschap vanzelf uit de vergelijkingen tevoorschijn.
6. Op soortgelijke manier kan de wiskunde die voor supersymmetrie is ontwikkeld, ons vertellen op hoeveel manieren een vierdimensionaal oppervlak kan worden opgevouwen, een topologisch probleem dat tot dan toe niet te hanteren was.
Dit alles schijnt te wijzen op een fundamentele waarheid die in de theorie besloten ligt. "Als iets toepassingen heeft buiten het terrein waarvoor je het hebt ontworpen, dan heeft dat een zeer diepzinnige betekenis," aldus Seiberg. "De schoonheid van supersymmetrie is echt overweldigend."
Schisma
Helaas zijn noch wiskundige schoonheid, noch beloften alleen voldoende. Je hebt ook experimenteel bewijs nodig. "Het is erg vervelend", zegt Michael Dine van de universiteit van Californie in Santa Cruz. "Het is een berg papier die gaat over iets, wat aan een paar zijden draadjes hangt." Indirect bewijs voor supersymmetrie is misschien te vinden in diverse experimenten die zoeken naar donkere materie in kosmische straling die door de aarde heen schiet. Voorbeelden hiervan zijn de Cryogenic Dark Matter Search in de Soudan-mijn in Minnesota (VS) en het Xenon-experiment onder de Gran Sassoberg in Italië. Ruimtesondes als de Fermisatelliet van Nasa speuren ook de Melkweg af voor de 'stralingshandtekening' van neutralino's die botsen en elkaar annihileren.
Het mooiste bewijs zou echter zijn als we neutralino's direct in een deeltjesversneller konden produceren. Het probleem is echter dat we niet precies weten hoe krachtig zo'n versneller zou moeten zijn. De massa van de superpartners hangt af van het precieze moment dat supersymmetrie zijn eigen weg ging in het afkoelende heelal en het schisma tussen de gewone deeltjes en hun supersymmetrische partners ontstond. Geen enkele versie van de theorie geeft een consistent antwoord. Er zijn zelfs versies die aangeven dat sommige superpartners zo licht zijn, dat ze al hadden moeten opduiken in versnellers als de Large Electron-Positron Collider - de voorganger van de LHC - of de Tevatronversneller in Batavia, Illinois, VS. Maar geen van beide heeft iets gevonden.
Fysici zijn echter zo enthousiast over de LHC omdat de versie van supersymmetrie die het best in staat is het hiërarchieprobleem op te lossen, zichtbaar zal worden bij de hogere energieën die de LHC gaat verkennen. Ook zouden neutralino's in grote aantallen geprodueeerd moeten worden in de LHC als ze de juiste massa hebben om de donkere materie voor hun rekening te nemen.
Sinds het ongeluk bij het opstarten van de LHC in 2008, doet CERN het kalm aan met de herstart. In het eerste jaar zal de LHC twee bundels protonen op elkaar schieten met een totale energie van 7 tera-elektronvolt (TeV), slechts de helft van waarvoor hij ontworpen is. Zelfs dat is al een flinke sprong voorwaarts vergeleken met de l,96 TeV die de vorige recordhouder, het Tevatron, haalt. "Als de zwaarste supersymmetrische deeltjes minder dan een tera-elektronvolt wegen, dan zouden ze al bij de vleet gemaakt moeten worden in de aanloopfase van de LHC", zegt CERN-theoreticus John Ellis. Tot nu toe (januari 2010) zijn in de LHC alleen nog deeltjes met minder energie dan 1 TeV op elkaar gebotst.
Lawine
De protonen die de LHC op elkaar laat botsen, zijn samengesteld uit quarks en gluonen, en produceren een uitermate rommelige verzameling brokstukken. Het kan volgens Ellis lang duren om 'higgs' uit dat puin tevoorschijn te zeven. Supersymmetrische deeltjes, daarentegen, zullen in niet meer dan 10-16 seconden vervallen tot een stroom van secundaire deeltjes, die eindigt in een lawine van neutralino's. Doordat neutralino's nauwelijks interactie aangaan met andere deeltjes, zullen ze aan de detectoren van de LHC ontsnappen. Vreemd genoeg maakt dit ze juist relatief makkelijk te vinden, aangezien de impuls die ze bezitten dan verdwijnt. "In principe is dit heel opvallend", stelt Ellis.
Dus als er bewijs bestaat voor supersymmetrie in de vorm die de meeste theoretici verwachten, zou het best ruim voor het higgsdeeltje ontdekt kunnen worden - terwijl supersymmetrie juist diens problemen beoogt op te lossen. Elke glimp van iets wat op een neutralino lijkt zou echt groot nieuws zijn. Op z'n minst zou het de tot nu toe beste waarneming zijn van een donkere-materie-deeltje. Sterker nog, het zou ons vertellen dat de natuur fundamenteel supersymmetrisch is.
Er heerst een tastbaar gevoel van opwinding over wat de LHC in de komende jaren kan gaan vinden. "Ik zou dolblij zijn als het supersymmetrie is", zegt Seiberg. "Maar ik zou ook dolblij zijn als het iets anders is. We hebben meer hints van de natuur nodig. De LHC gaat ons die hints geven."
Bloedbroeders?
Snaartheorie en supersymmetrie zijn twee nog onbewezen theorieën over hoe het heelal in elkaar zit. Maar dat betekent niet dat ze per se verwant zijn. Het is waar dat de meest populaire varianten van de snaartheorie een supersymmetrisch universum als uitgangspunt nemen. Snaartheoretici, die stevig onder vuur liggen omdat ze een theorie bepleiten die er maar niet in slaagt experimenteel toetsbare voorspellingen te doen, zullen een zucht van opluchting slaken als supersymmetrie inderdaad wordt aangetoond. Toch is daarmee de snaartheorie niet bewezen: het heelal kan best supersymmetrisch zijn zonder dat de snaartheorie correct is. Omgekeerd, bij de energieën die de LHC gaat verkennen, is het niet duidelijk of supersymmetrie wel een noodzakelijke voorwaarde voor de snaartheorie is.
"Het is makkelijker om de snaartheorie te begrijpen als er supersymmetrie optreedt in de LHC," zegt Edward Witten, een theoreticus aan het Institute for Advanced Studies in Princeton, "maar het is niet duidelijk of het ook een logische eis is." Als supersymmetrie inderdaad het pad naar de snaartheorie effent, kan dat een beslissende stap zijn naar een theorie die het grootste raadsel van de fysica oplost: waarom de zwaartekracht zo verschilt van alle andere krachten in de natuur. Dan is supersymmetrie echt het antwoord op alles.
De deeltjesdierentuin
De deeltjes zijn verdeeld over twee families: de fermionen en bosonen. Daaronder vallen groepen zoals leptonen, de quarks en de krachtdragende deeltjes, zoals het foton. Supersymmetrie verdubbelt het aantal deeltjes, waardoor elk fermion een bosondeeltje als superpartner heeft en omgekeerd. De LHC moet het eerste supersymmetrische deeltje kunnen vinden.
Hieronder een overzicht van het Standaardmodel betreffende elementaire deeltjes.
terug naar God als man en vrouw
^