Je leest:

De verenigde natuurkrachten

De verenigde natuurkrachten

Hoe de krachten wellicht één en dezelfde zijn

Auteur: | 7 januari 2016

De Nijmeegse wiskundige Walter van Suijlekom werkt met collega’s al jaren aan een theorie waarin hij probeert aan te tonen dat in ieder geval drie van de vier fundamentele natuurkrachten terug te leiden zijn naar één ‘oerkracht’. Afgelopen jaar lukte het hen om deze zogenoemde ‘unificatie’ met succes door te rekenen. Het levert veel nieuwe natuurkunde en deeltjes voorbij het standaardmodel op.

Eenvoud, dát is waar natuurkundigen naar streven. Een soort drang om te laten zien dat de verschillende krachten die het universum bestieren uiteindelijk zijn terug te leiden tot hetzelfde natuurfenomeen. Al sinds het midden van de vorige eeuw ondernemen wetenschappers verwoede pogingen om deze zogenoemde unificatie op papier te voltooien. Met wisselende successen, want naar eenvoud streven blijkt bepaald niet eenvoudig.

Fotovansuijlekom3x2
Walter van Suijlekom.
Walter van Suijlekom met toestemming

Ook de theorieën uit de koker van Walter van Suijlekom zijn geen makkelijk materie. Hij is wiskundige aan de Radboud Universiteit Nijmegen en publiceerde afgelopen november met twee collega’s een theorie die laat zien dat de Elektromagnetische kracht , de sterke-, én de zwakke kernkracht bij hoge energieën dezelfde oorsprong hebben en precies even sterk zijn.

In tegenstelling tot andere unificatiepogingen van deze krachten rolt er uit zijn theorie bij lage energie precies het geijkte Standaardmodel van de deeltjesfysica . Kennislink duikt in de dierentuin van deeltjes en krachten, en belt met Van Suijlekom.

Kruisen van de lijnen

Eigenlijk lag de theorie volgens Van Suijlekom al een tijd op stapel. “Het model wat ik samen met Fransman Alain Connes en Libanees Ali Chamseddine ontwikkelde bestaat al zo’n twee jaar. Het was alleen nog niet goed uitgewerkt, ondanks dat we ongeveer wisten wat we moesten doen om alles goed op papier te krijgen. Dat kost tijd, en die moet je reserveren; je moet erin duiken en alles precies berekenen. Dat hebben we het afgelopen jaar gedaan.”

Van Suijlekom ging aan de slag met de zogenoemde niet-commutatieve meetkunde (zie kader Lagen in de ruimte) die het gedrag van de verschillende natuurkrachten beschrijft, zoals de specifieke invloed van de krachten bij een bepaalde ruimteschaal of op een bepaald energieniveau. De invloed van zulke krachten varieert namelijk. “Neem de elektromagnetische kracht,” zegt Van Suijlekom, “deze speelt op het niveau van het dagelijks leven een grote rol, maar als je naar bijvoorbeeld de schaal van een atoom gaat dan nemen de zwakke- en sterke kernkracht het stokje over.”

De invloed deze krachten kun je uitzetten in een grafiek, die aangeeft hoe sterk iedere kracht is bij een bepaald energieniveau. “Doe je dat met het standaardmodel dan lopen die lijnen weliswaar naar elkaar toe, maar ze raken elkaar nergens precies in een punt”, zegt Van Suijlekom. “Zouden ze elkaar kruisen, dan is dat een aanwijzing dat ze zich precies hetzelfde gedragen en niet meer te onderscheiden zijn.”

Unificatie net niet
De invloeden van natuurkrachten zijn afhankelijk van de energie die deeltjes hebben waarop de krachten werken. Bij extreem hoge energie lijken de krachten ongeveer even sterk te worden, maar ze worden – althans volgens bestaande modellen – nooit precies even sterk. In deze grafiek is de invloed van de elektromagnetische kracht (blauw), zwakke kernkracht (groen) en de sterke kernkracht (rood) uitgezet bij verschillende energieën. Deeltjesversnellers – op dit moment de krachtigste werktuigen die we hebben om deeltjes tot hoge snelheden op te zwepen – opereren ‘nog maar’ bij energieën rond de verticale stippellijn.
CERN

De theorie van Van Suijlekom is eigenlijk een uitbreiding van het standaardmodel, dat prima voorspellingen doet voor relatief lage energieën. Natuurkundigen verwachten echter dat het voor hogere energieën geen goede voorspellingen meer doet, en dat terwijl de unificatie van de natuurkrachten precies in die regio zou plaatsvinden. In de eerder genoemde grafiek die uit de theorie van Van Suijlekom rolt komen de krachten wél in een punt uit. “Daar is er sprake van een soort oerkracht”, zegt Van Suijlekom. “Alle krachten zijn dan precies even krachtig.”

Buitenbeentje zwaartekracht

Wanneer je het hebt over het samenvoegen van de fundamentele natuurkrachten in een overkoepelende theorie dan is er vrijwel altijd een buitenbeentje: de zwaartekracht. Dat is in de nieuwe theorie van Van Suijlekom niet anders. De elektromagnetische kracht, sterke- en zwakke kernkracht laten zich blijkbaar makkelijker verenigen. Maar waarom?

Dat heeft te maken met het feit dat er geen goede beschrijving is voor deze kracht bij hogere energieën en bij kleine lengteschalen. “Unificatietheorieën maken gebruik van beschrijvingen van die krachten uit de natuurkundeliteratuur”, zegt Van Suijlekom. “Maar zolang die theorie er niet is dan houdt het op.”

Als eerste deed Van Suijlekom een lange berekening, gewoon met pen en papier. Daarin werd al duidelijk dat er een snijpunt was van de drie verschillende krachten. “Dat was hoopgevend. Dan dan ga je als theoreticus naar de computer. En daar is waar het vrijwel altijd misgaat”, zegt Van Suijlekom. “De computer doet meestal wat anders, waardoor je de theorie of de berekening moet aanpassen. Maar tot mijn verrassing ging het ditmaal in een keer goed. Het klopte gewoon en dat was een prachtig resultaat.”

Tosti’s in het café

Van Suijlekom lichtte zijn collega’s in Frankrijk en Libanon na de succesvolle berekening meteen in. Met hen had hij het afgelopen jaar veel contact gehad om de theorie volledig te ontwikkelen. Niet altijd per mail, want dan lopen discussies snel vast. “Het beste is om elkaar in het echt te zien”, zegt Van Suijlekom. “Ik was afgelopen zomer in Parijs om te discussiëren met mijn collega’s, op het Institut des Hautes Études Scientifiques, of gewoon in een café in Parijs met een tosti erbij.”

In juli 2015 kwam de theorie van de drie wetenschappers naar buiten in een voorpublicatie die op internet door iedereen gelezen kan worden. “Meteen gingen er andere wetenschappers mee aan de slag, ook onderzoekers van buiten het wiskundige vakgebied”, zegt Van Suijlekom. “Al binnen twee weken na die voorpublicatie kregen we onafhankelijke bevestiging dat onze berekeningen klopten.”

De echte publicatie volgde in november 2015, en nu is het tijd om de theorie te laten ‘incuberen’ zoals Van Suijlekom het noemt. Hij gaat de komende tijd op een soort ‘promotietour’ om de publicatie onder de aandacht te brengen van vakgenoten. Dat gebeurt bijvoorbeeld met lezingen op congressen. “Daaruit volgen hopelijk weer nieuwe discussies die de theorie verder kunnen brengen”, aldus Van Suijlekom.

Lagen in de ruimte

De zogenoemde niet-commutatieve meetkunde is een tak binnen de wiskunde die gebruikt kan worden om krachten te beschrijven als een vervorming van de ruimte, zoals ook Einstein de zwaartekracht al voorstelde als een vervorming in de anders vlakke ruimtetijd.

In de theorie van Van Suijlekom wordt de ruimte voorgesteld als verschillende vervormbare lagen waarbij iedere laag voor een andere kracht staat. “De wiskunde die wij gebruiken koppelt aan elke punt in de ruimte extra informatie over de vorm van de ruimte zelf”, zegt Van Suijlekom. Die vorm bepaalt het gedrag van de kracht.

Ruimtetijdkromming
Einsteins voorstelling van de zwaartekracht.

Nieuwe deeltjes

De theorie van Van Suijlekom voorspelt een hoop nieuwe deeltjes, sommige bij extreem hoge energie (ver buiten het bereik van huidige deeltjesversnellers) maar ook exemplaren bij lagere energie. En dat zou goed nieuws zijn volgens Van Suijlekom, voor zowel de theorie als voor de natuurkundigen die naar nieuwe deeltjes zoeken.

Cern buizen
Met enorme deeltjesversnellers zoals deze Large Hadron Collidor worden nieuwe deeltjes gevonden door bestaande deeltjes met grote energieën te laten botsen.
CERN

“Er zijn theorieën die voorspellen dat er vanaf de relatief lage energieën waar we nu naar kijken geen nieuwe deeltjes meer opduiken tot aan extreem hoge energieën”, zegt hij. “Eigenlijk is dat de nachtmerrie van experimentatoren, die zo niks nieuws meer kunnen vinden! Bovendien denk ik dat het niet waarschijnlijk is dat er geen nieuwe deeltjes meer gevonden worden bij lagere energieën.”

Een ander punt waar Van Suijlekom op wijst is het feit dat zijn theorie ‘stabiele’ Proton voorspelt, precies zoals waarnemingen laten zien. “De voorspelling dat protonen niet stabiel zouden zijn is vaak als een donkere wolk boven andere unificatiepogingen blijven hangen,” zegt hij, “onze theorie is nu een van de weinige theorieën waar het verval van protonen niet in zit.”

De voorspelling van nieuwe deeltjes geeft een nieuwe dimensie aan zijn werk, zegt Van Suijlekom. “Wiskunde gaat doorgaans niet ‘kapot’ doordat je een experiment doet, maar dat kan voor onze toepassing wel het geval zijn. Onze theorie is namelijk direct gekoppeld aan deeltjesexperimenten: het ontdekken van nieuwe deeltjes of eigenschappen van bestaande deeltjes. Dat maakt het spannend.”

Bron

  • Chamseddine A. et al., Grand unification in the spectral Pati-Salam model, Journal of High Energy Physics (4 november 2015), DOI:10.1007/JHEP11011
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 januari 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.