Natuurkundigen uit de VS en Zuid-Korea beschreven een mogelijk scenario voor de evolutie van het heelal na de oerknal, dat verschilt van het scenario dat algemeen wordt aanvaard door de wetenschap. Volgens dit scenario is het niet langer mogelijk om nieuwe elementaire deeltjes te detecteren bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN. Met een alternatief scenario kunt u ook het probleem van de hiërarchie van massa's oplossen. Onderzoek gepubliceerd op arXiv.org
De theorie heet Nnatuurlijkheid. Het wordt bepaald op de schaal van energieën in de orde van de elektrozwakke interactie, na de scheiding van de elektromagnetische en zwakke interacties. Dit was ongeveer tien op min tweeëndertig - tien min twaalf seconden na de oerknal. Vervolgens bestond er volgens de auteurs van het nieuwe concept een hypothetisch elementair deeltje in het heelal - rechiton (of reheaton, van de Engelse reheaton), waarvan het uiteenvallen leidde tot de vorming van de fysica die tegenwoordig wordt waargenomen.
Toen het heelal kouder werd (de temperatuur van materie en straling daalde) en vlak (de geometrie van de ruimte naderde Euclidisch), viel de Rechiton uiteen in vele andere deeltjes. Ze vormden groepen deeltjes die bijna geen interactie met elkaar hebben, bijna identiek in soortenset, maar verschillend in de massa van het Higgs-deeltje, en dus in hun eigen massa.
Het aantal van dergelijke groepen deeltjes, dat volgens wetenschappers in het moderne universum bestaat, bereikt enkele duizenden biljoen. De fysica beschreven door het Standaard Model (SM) en de deeltjes en interacties waargenomen in experimenten bij de LHC behoren tot een van deze families. De nieuwe theorie maakt het mogelijk supersymmetrie op te geven, die nog steeds tevergeefs probeert te vinden, en lost het probleem van de hiërarchie van deeltjes op.
In het bijzonder, als de massa van het Higgs-deeltje gevormd als gevolg van het rechitonverval klein is, dan zal de massa van de resterende deeltjes groot zijn, en vice versa. Dit lost het probleem op van de elektrozwakke hiërarchie die verband houdt met de grote kloof tussen de experimenteel waargenomen massa's van elementaire deeltjes en de energieschalen van het vroege heelal. Zo verdwijnt de vraag waarom een elektron met een massa van 0,5 mega-elektronvolt bijna 200 keer lichter is dan een muon met dezelfde kwantumgetallen vanzelf - in het heelal zijn er exact dezelfde sets deeltjes waar dit verschil niet zo sterk is.
Volgens de nieuwe theorie is het Higgs-deeltje dat wordt waargenomen in experimenten bij de LHC het lichtste deeltje van dit type, gevormd als gevolg van het verval van een rechiton. Zwaardere bosonen worden geassocieerd met andere groepen van nog niet ontdekte deeltjes - analogen van vandaag ontdekte en goed bestudeerde leptonen (die niet deelnemen aan de sterke interactie) en hadronen (die deelnemen aan de sterke interactie).
Nima Arkani-Hamed
Promotie video:
Foto: EP Departement / CERN
De nieuwe theorie annuleert niet, maar maakt het niet zo nodig om supersymmetrie te introduceren, wat inhoudt dat het aantal bekende elementaire deeltjes verdubbeld moet worden door de aanwezigheid van superpartners. Bijvoorbeeld voor een foton - een fotino, een quark - een squark, een Higgs - een Higgsino, enzovoort. De spin van de superpartners moet een half geheel getal verschillen van de spin van het originele deeltje.
Wiskundig gezien worden een deeltje en een superpartikel gecombineerd in één systeem (supermultiplet); alle kwantumparameters en massa's van deeltjes en hun partners vallen samen in exacte supersymmetrie. Er wordt aangenomen dat supersymmetrie van nature verbroken is, en daarom is de massa van superpartners veel groter dan de massa van hun deeltjes. Om supersymmetrische deeltjes te detecteren, waren krachtige versnellers zoals de LHC nodig.
Als er supersymmetrie of nieuwe deeltjes of interacties bestaan, kunnen deze volgens de auteurs van de nieuwe studie worden ontdekt op een schaal van tien tera-elektronenvolt. Dit is bijna op de grens van de mogelijkheden van de LHC, en als de voorgestelde theorie correct is, is de ontdekking van nieuwe deeltjes daar uiterst onwaarschijnlijk.
CM-versies
Afbeelding: arXiv.org
Een signaal van bijna 750 giga-elektronvolt, wat zou kunnen duiden op het verval van een zwaar deeltje in twee gammafotonen, zoals gerapporteerd door wetenschappers van de CMS (Compact Muon Solenoid) en ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) samenwerkingen die in december 2015 en maart 2016 bij de LHC werkten, erkend als statistische ruis. Na 2012, toen bekend werd over de ontdekking van het Higgs-deeltje bij CERN, zijn er geen nieuwe fundamentele deeltjes onthuld die door de SM-extensies werden voorspeld.
Daarom wordt verwacht dat er theorieën verschijnen waarin de behoefte aan supersymmetrie verdwijnt. "Er zijn veel theoretici, waaronder ikzelf, die geloven dat dit een volstrekt unieke tijd is waarin we belangrijke en systemische problemen oplossen, en niet met betrekking tot de details van een volgend elementair deeltje", zei de hoofdauteur van de nieuwe studie, natuurkundige Nima Arkani-Hamed. van Princeton University (VS).
Zijn optimisme wordt niet door iedereen gedeeld. Natuurkundige Matt Strassler van Harvard University gelooft bijvoorbeeld dat de wiskundige rechtvaardiging van de nieuwe theorie bedacht is. Ondertussen gelooft Paddy Fox van het Enrico Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (VS) dat de nieuwe theorie in de komende tien jaar kan worden getest. Volgens hem zouden deeltjes die in een groep met een zwaar Higgs-deeltje zijn gevormd, hun sporen moeten achterlaten op de relikwie-straling - de oeroude microgolfstraling voorspeld door de oerknaltheorie.
Andrey Borisov
