Natuurkundig trucje lost vijf van de grootste problemen in een keer op

Best een efficiënte werkdag: vijf van de grootste fundamentele problemen in de fysica in een keer oplossen. Guillermo Ballesteros van de universiteit Parijs-Sacley en zijn collega’s hebben een model ontwikkeld dat wellicht in een keer donkere materie, neutrino-oscillaties, baryogenese, inflatie en het CP-probleem verklaart.

Het model, genaamd Smash, is gebaseerd om het standaardmodel van de deeltjesfysica, maar heeft enkele toevoegingen. Het standaardmodel is een verzameling van deeltjes en krachten die de bouwstenen van het heelal beschrijven. En hoewel het tot nu toe elke test doorstaan heeft, kan het sommige fenomenen niet verklaren.

Een voorbeeld is donkere materie. We begrijpen niet waarom deze mysterieuze stof 84 procent van de massa van het heelal beslaat. Noch weten we waarom er meer materie dan antimaterie is. Noch waarom het heelal enorm snel groeide kort na de oerknal. En dit is slechts een greep uit de problemen die het standaardmodel niet kan verklaren.

Het standaardmodel is dus nog niet compleet. ‘Waarschijnlijk hebben we nieuwe deeltjes nodig,’ zegt Mikhail Shaposhnikov van de Technische Universiteit van Lausanne. ‘De vraag is: hoeveel nieuwe deeltjes hebben we nodig?’

Samengevoegde theorieën

Sommige modellen, zoals supersymmetrie, voegen honderden nieuwe deeltjes toe aan het standaardmodel. Geen enkele daarvan is ooit gevonden in deeltjesversnellers, zoals de LHC. Smash wil er daarentegen maar zes: drie neutrino’s, een fermion en een veld dat twee deeltjes bevat.

Volgens Shaposhnikov is dat een redelijke aanname. ‘Ik zou beginnen met de veronderstelling dat er weinig nieuwe deeltjes zijn,’ zegt hij, ‘en alleen deeltjes toevoegen als je ze echt nodig hebt.’

Smash is een samenvoeging van verschillende theorieën, zegt coauteur Andreas Ringwald van de Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg. Het bouwt voort op Shaposhnikovs model uit 2005. Daarin voegde hij drie neutrino’s toe aan de al bekende drie neutrino’s om vier fundamentele fysische problemen op te lossen: donkere materie, inflatie, enkele onopgeloste vragen over de eigenschappen van neutrino’s en de oorsprong van materie.

Smash voegt hier nog een veld aan toe waardoor de problemen net een beetje anders aangepakt worden. Dit veld bevat twee deeltjes: het axion, de dark horse onder de donkeremateriekandidaten, en het inflaton, het deeltje dat de inflatieperiode kan helpen verklaren.

En als kers op de taart gebruikt Smash dit veld om een vijfde raadsel: op te lossen: het CP-probleem, dat moet verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is.

Toetsbare voorspellingen

‘Het mooiste van de theorie is dat hij in de komende tien jaar getest kan worden,’ zegt Ringwald. ‘Je kan altijd nieuwe theorieën bedenken, maar als je ze pas over honderd jaar – of nooit – kunt testen, dan is het geen echte wetenschap, maar metafysica.’

Smash voorspelt dat het axion ongeveer een miljard keer lichter is dan het elektron. Zulke kleine deeltjes kunnen bestudeerd worden door het Cultax-experiment in Zuid-Korea of door het voorgestelde Orpheus-experiment in Amerika en het geplande Madmax-experiment in Duitsland.

De bekendmaking van Smash betekent niet dat de zoektocht voorbij is. Het is eerder net begonnen. Fysici zullen blijven zoeken naar experimenteel bewijs of een beter model.

‘De strijd is begonnen,’ zegt Ringwald.