Natuurkundigen die door het 'landschap' van de snaartheorie hebben gezworven - een ruimte van miljarden en miljarden wiskundige oplossingen voor een theorie waarin elke oplossing de vergelijkingen biedt waarmee natuurkundigen de werkelijkheid proberen te beschrijven - kwamen een subset van dergelijke vergelijkingen tegen die evenveel deeltjes materie bevatten als er zijn in ons universum. Deze subset is echter enorm: er zijn op zijn minst een biljard van dergelijke oplossingen. Dit is de grootste vondst in de geschiedenis van de snaartheorie.
Het universum in snaartheorie
Volgens de snaartheorie worden alle deeltjes en fundamentele krachten gegenereerd door trillende kleine snaren. Voor wiskundige consistentie trillen deze snaren in 10-dimensionale ruimtetijd. En om consistent te zijn met onze gebruikelijke alledaagse ervaring van het bestaan in het heelal, met drie ruimtelijke en eenmalige dimensies, worden de zes extra dimensies "verdicht" zodat ze niet kunnen worden gedetecteerd.
Verschillende verdichtingen leiden tot verschillende oplossingen. In de snaartheorie verwijst 'oplossing' naar het vacuüm van de ruimtetijd, dat wordt beheerst door Einsteins zwaartekrachttheorie gecombineerd met kwantumveldentheorie. Elke oplossing beschrijft een uniek universum, met zijn eigen set deeltjes, fundamentele krachten en andere bepalende eigenschappen.
Sommige snaartheoretici hebben hun inspanningen gericht op het vinden van manieren om de snaartheorie in verband te brengen met de eigenschappen van ons bekende waarneembare universum - in het bijzonder het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat alle bekende deeltjes en krachten beschrijft behalve de zwaartekracht.
Veel van deze inspanning komt van een versie van de snaartheorie waarin snaren zwak samenwerken. In de afgelopen twintig jaar heeft een nieuwe tak van de snaartheorie, genaamd F-theorie, natuurkundigen in staat gesteld te werken met sterk op elkaar inwerkende - of nauw gekoppelde - snaren.
"De interessante resultaten zijn dat wanneer de relatie groot is, we de theorie heel geometrisch kunnen gaan beschrijven", zegt Miriam Tsvetik van de University of Pennsylvania in Philadelphia.
Promotie video:
Dit betekent dat snaartheoretici de algebraïsche meetkunde - die algebraïsche methoden gebruikt om geometrische problemen op te lossen - kunnen gebruiken om verschillende manieren te analyseren om extra dimensies in de F-theorie te verdichten en om oplossingen te vinden. Wiskundigen bestuderen onafhankelijk enkele van de geometrische vormen die in de F-theorie voorkomen. "Ze bieden ons natuurkundigen een schat aan hulpmiddelen", zegt Ling Lin, ook van de University of Pennsylvania. "Geometrie is eigenlijk heel belangrijk, het is de 'taal' die de F-theorie tot een krachtige structuur maakt."
Quadriljoenen universums
En dus gebruikten Tsvetik, Lin en James Halverson van Northeastern University in Boston deze methoden om een klasse van oplossingen te identificeren met vibrerende snaarmodi die tot hetzelfde spectrum van fermionen (of materiedeeltjes) leiden als beschreven door het standaardmodel - inclusief de eigenschap, waardoor fermionen van drie generaties zijn (bijvoorbeeld elektron, muon en tau zijn drie generaties van hetzelfde type fermionen).
De F-theorie-oplossingen die door Tsvetik en haar collega's zijn ontdekt, omvatten ook deeltjes die chiraliteit vertonen (gebrek aan symmetrie over de rechter- en linkerkant) van het standaardmodel. In de terminologie van de deeltjesfysica reproduceren deze oplossingen het exacte "chirale spectrum" van deeltjes in het standaardmodel. De quarks en leptonen in deze oplossingen hebben bijvoorbeeld linker- en rechterversies, zoals in ons universum.
Het nieuwe werk laat zien dat er op zijn minst een biljard oplossingen zijn waarin deeltjes hetzelfde chirale spectrum hebben als in het standaardmodel, 10 ordes van grootte meer oplossingen dan tot nu toe in de snaartheorie zijn gevonden. "Dit is verreweg de grootste subklasse van standaardmodeloplossingen", zegt Tsvetik. "Wat verbazingwekkend en leuk is, is dat het allemaal in de nauw gekoppelde snaartheorie zit waar geometrie ons helpt."
Quadrillion is een extreem groot aantal, zij het veel minder dan het aantal oplossingen in de F-theorie (dat bij de laatste telling ongeveer 10.272.000 is). En omdat het een extreem groot aantal is, dat iets niet-triviaal en waars verraadt in de deeltjesfysica in de echte wereld, zal het met de grootste nauwkeurigheid en ernst worden bestudeerd, zegt Halverson.
Verder onderzoek omvat het identificeren van sterkere verbanden met deeltjesfysica in de echte wereld. Onderzoekers moeten de verbindingen of interacties tussen deeltjes in F-theorie-oplossingen identificeren, die weer afhankelijk zijn van de geometrische details van extra dimensie compactificatie.
Het is heel goed mogelijk dat er in de ruimte van een biljard oplossingen enkele oplossingen zullen zijn die leiden tot het verval van een proton in voorzienbare tijdschalen. Dit zou duidelijk in tegenspraak zijn met de echte wereld, aangezien de experimenten geen tekenen van protonverval aan het licht brachten. Of natuurkundigen kunnen zoeken naar oplossingen die het spectrum van deeltjes van het standaardmodel implementeren, met behoud van wiskundige symmetrie (R-pariteit). Deze symmetrie verbiedt bepaalde processen van protonenverval en zou vanuit het oogpunt van de deeltjesfysica zeer aantrekkelijk zijn, maar ontbreekt in moderne modellen.
Bovendien veronderstelt dit werk het bestaan van supersymmetrie - dat wil zeggen dat alle standaarddeeltjes partnerpartikels hebben. Snaartheorie heeft deze symmetrie nodig om wiskundige consistentie van oplossingen te garanderen.
Maar om elke supersymmetrietheorie te laten passen in het waarneembare universum, moet de symmetrie worden verbroken (net zoals het niet synchroon plaatsen van bestek en een glas aan de linker- of rechterkant de symmetrie van de tafelsetting zou breken). Anders zullen de partnerdeeltjes dezelfde massa hebben als de deeltjes van het standaardmodel - wat zeker niet het geval is, aangezien we dergelijke partnerdeeltjes niet hebben gezien in onze experimenten.
Ilya Khel
