Fysici hebben een nieuwe manier bedacht om drie van de vier natuurkrachten te verenigen. Daarmee is het bestaan van enkele onbewezen elementen uit eerdere theorieën niet langer noodzakelijk.
In den beginne was er slechts één natuurkracht. Vlak na de oerknal, terwijl het heelal afkoelde, splitste deze kracht zich eerst in twee, vervolgens in drie en daarna in de vier krachten die het hedendaagse universum besturen. Dat zijn de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwaartekracht.
Fysici zoeken al lange tijd naar een Grand Unified Theory (GUT): een theorie die drie van de vier natuurkrachten verenigt. In zo’n theorie hoeft alleen voor de zwaartekracht geen plaats gemaakt te worden. Als ook die kracht erbij komt, spreken fysici van een Theorie van Alles.
Experimenten in deeltjesversnellers hebben al uitgewezen dat de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht bij een energie van zo’n 100 gigaelektronvolt samengaan tot één kracht, de elektrozwakke kracht. Daaruit concluderen fysici dat deze twee krachten tot ongeveer een biljoenste van een seconde na de oerknal onafscheidelijk waren.
‘De vraag is nu: wat gebeurde er vanaf de oerknal tot een biljoenste van een biljoenste van een biljoenste van een seconde daarna?’ zegt Bartosz Fornal van de University of California San Diego. In die periode moeten de elektrozwakke kracht en de sterke kernkracht samen één kracht zijn geweest.
Vijfhoeken en tienhoeken
Samen met collega Benjamín Grinstein heeft Fornal nu een nieuwe GUT opgesteld, gebaseerd op de bestaande theorie SU(5). De nieuwe theorie heeft als groot voordeel dat protonen niet hoeven te vervallen, wat het bestaan van supersymmetrie overbodig maakt.
SU(5) is in 1974 gepresenteerd door Howard Georgi en Sheldon Glasgow. De theorie geeft deeltjes bij hoge energieën weer als wiskundige structuren die je je voor het gemak kunt voorstellen als regelmatige vijfhoeken en tienhoeken.
Neem bijvoorbeeld een regelmatige vijfhoek. In SU(5) geeft elke zijde een fundamenteel deeltje weer – ofwel een quark, ofwel een lepton. Wiskundig gezien zijn de zijden van zo’n vijfhoek echter identiek. In deze weergave kun je een quark dus onmogelijk van een lepton onderscheiden. Toen het heelal afkoelde, ging de symmetrie verloren, zodat de metaforische vijfhoek in stukken brak. Elk brokstuk gaf vervolgens een quark of een lepton weer.
Super-Kamiokande
Een vervelende bijkomstigheid van SU(5) is dat de theorie een extra interactiemechanisme tussen quarks en leptonen veronderstelt. Dit mechanisme maakt protonen vatbaar voor verval. Een van de drie quarks waaruit een proton bestaat, kan bijvoorbeeld spontaan veranderen in een lepton.
Ingenieuze meetapparaten zoals de Super-Kamiokande-neutrinodetector in Japan zoeken naarstig naar de straling die bij dit voorgestelde protonenverval vrijkomt. Ze hebben tot dusver echter niks gemeten. Daardoor is de levensduur van het proton nu vastgesteld op minstens 1034 jaar. Dat is veel langer dan de levensduur die door SU(5) wordt voorspeld.
Er zijn weliswaar theorieën die het proton een langere levensduur toedichten, maar die zijn veel complexer. GUT’s kunnen bijvoorbeeld uitgaan van supersymmetrie, zodat het aantal deeltjes verdubbelt. Dit verlengt de levensduur van protonen. Experimenten met de Large Hadron Collider bij CERN hebben echter tot dusver geen enkel bewijs van supersymmetrie opgeleverd.
Zware velden
Om hun GUT op te stellen, hebben Fornal en Grinstein twee wiskundige structuren aan SU(5) toegevoegd – eentje veertigzijdig en de ander vijftigzijdig. Deze structuren geven zware velden weer. Ze helpen allebei om de elektrozwakke kracht en sterke kernkracht te verenigen. Bovendien voorkomen de velden dat protonen vervallen.
‘Dit is een proof of concept dat zo’n theorie kan worden opgesteld’, zegt Fornal. Het duo heeft dat bovendien geflikt zonder terug te grijpen op supersymmetrie. Fornal: ‘We zijn erg trots dat we een niet-supersymmetrische theorie hebben opgesteld.’
Natuurkundige Ilja Doršner van de universiteit van Split in Kroatië houdt zich eveneens bezig met GUT’s. Hij is onder de indruk: ‘Dit toont eens te meer de rijkdom en schoonheid van dit hoogontwikkelde onderwerp’, zegt hij. Doršner voegt daar echter aan toe dat het proof of concept zijn waarde verliest als protonenverval wordt geobserveerd.
Donkere materie
Fornal wil nu achterhalen of de theorie kan verklaren waarom de massa van het recent ontdekte higgsboson kleiner is dan verwacht. ‘Dit kan mogelijk worden opgelost door extra velden aan de theorie toe te voegen’, zegt hij.
Dit soort trucjes zijn soms nodig om het waargenomen heelal overeen te laten komen met de wiskundige beschrijving ervan. Het higgsveld is bijvoorbeeld ook ooit toegevoegd om een dergelijk probleem op te lossen – namelijk de oorsprong van massa. Dit bleek later een gouden greep.
Fornal en Grinstein willen ook weten of de theorie zodanig kan worden aangepast dat die een deeltje bevat dat donkere materie kan verklaren. Dat vereist een nog grotere groep van wiskundige structuren, die naast alle bekende deeltjes en krachten ook donkere materie omvat. Wanneer in die groep de symmetrie breekt, scheiden donkeremateriedeeltjes zich af.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: