Je leest:

Ingevroren supersnaar

Ingevroren supersnaar

Auteur: | 12 mei 2005

Vier theoretisch natuurkundigen uit Utrecht hebben een experiment bedacht om de snaartheorie te testen. Die kandidaat Theorie-van-Alles moet volgens haar aanhangers de kwantummechanica en relativiteitstheorie verenigen.

Drs. Michiel Snoek en zijn mede-auteurs, dr. Masudul Haque, dr. Stefan Vandoren en prof. Henk Stoof beschrijven in een voorpublicatie op de website Arxiv.org hoe iemand met bestaande technologie supersymmetrie kan onderzoeken. Die eigenschap van de snaartheorie legt een verband tussen radicaal verschillende deeltjessoorten: bosonen en fermionen. Elk boson heeft volgens de snaartheorie een fermion-partner en andersom, maar die squarks, photino’s en neutralino’s zijn nog nooit waargenomen.

Als het experiment van Stoof, Snoek, Haque en Vandoren wordt uitgevoerd en aantoont dat supersymmetrie bestaat, is dat het eerste tastbare bewijs dat elementen van de snaartheorie kloppen. De theorie beschrijft het gedrag van elementaire deeltjes bij hoge energie, zoals vlak na de Oerknal. Voorheen dachten natuurkundigen dat je voor een test van de snaartheorie een deeltjesversneller zo groot als het zonnestelsel nodig had. Het Utrechtse experiment zou met wat geluk op een labtafel passen. Het onderzoek werd eind april ingediend voor publicatie in het tijdschrift Nature. Omdat Nature het recht van eerste publicatie opeist, willen de onderzoekers hun artikel nog niet verder toelichten in de pers.

Update: Ondertussen is het artikel Ultracold Superstrings verschenen in de Physical Review Letters van december 2005. Co-auteur Henk Stoof en snaarexpert Erik Verlinde gaven voor Kennislink commentaar op het stuk.

Volgens het supersymmetrie-principe van de stringtheorie moeten elk bekend boson en fermion een supersymmetrische partner uit het andere kamp hebben: het lichtdeeltje (foton) is een boson en heeft dus een corresponderend fermion, het fotino.

Boson-fermion-mix

Snoek en zijn collega’s willen een Bose-Einstein-Condensaat (BEC) gebruiken om snaartheorie te testen. Een BEC bestaat uit deeltjes van het boson-type, zoals atomen rubidium-87, die bij temperaturen rond het absolute nulpunt één supervloeibare massa vormen. Fermionen als kalium-40 hebben juist geen neiging om bij lage temperatuur samen te klonteren.

In het voorstel op Arxiv.org beschrijven de onderzoekers een manier om bosonen en fermionen in een BEC te mengen. BECs vloeien zonder interne weerstand en vormen speciale draaikolken om energie in op te slaan als ze boven een bepaalde snelheid ronddraaien. In het hart van zo’n draaikolk wil het Utrechtse team een aantal fermionen injecteren. Met lasers zijn de energietoestanden van de bosonen en fermionen op elkaar af te stemmen. De juiste afstemming zou volgens Snoek en zijn team tekenen van supersymmetrie moeten vertonen. Dat is dan op zijn minst een aanwijzing dat ook elementaire deeltjes supersymmetrie kennen.

Bouwstenen van energie en materieAlle deeltjes zijn onder te verdelen in bosonen en fermionen, ook de allerkleinste bouwstenen. Tot de fermionen behoren de bouwstenen van materie zoals quarks en elektronen. Bosonen als de fotonen en gluonen dragen juist de fundamentele natuurkrachten over.Het verschil tussen bosonen en fermionen is de eigenschap spin. Fermionen hebben spins 1/2, 1 1/2, 2 1/2 enzovoorts, terwijl bosonen spin 0, 1, 2 en verder dragen. Deeltjes met een even aantal fermionen (zoals een heliumkern met twee protonen en twee neutronen) hebben in totaal een hele spin en zijn effectief bosonen; een atoom als deuteriumwaterstof (met een proton en neutron in de kern en een elektron dat eromheen draait) is een fermion door zijn halftallige spin.Fermionen hebben er een hekel aan om identiek te zijn: ze moeten zich volgens het Pauli-principe altijd ergens in onderscheiden. Bosonen vinden het geen enkel probleem om in dezelfde toestand te verkeren. In de afbeelding is dat zichtbaar gemaakt: ijskoude bosonen zitten met zijn allen op het allerlaagste energieniveau, maar omdat fermionen niet in identieke toestanden mogen zitten, moeten er altijd een paar hogere energie dragen.

Theorie van alles?

Dé grote theorieën van de moderne natuurkunde kunnen elkaar niet luchten of zien: kwantumveldentheorie en relativiteitstheorie zijn maar met de grootst mogelijke moeite tegelijkertijd toe te passen. En dat terwijl het gebied waar ze overlappen – de theorie van elementaire deeltjes – zo razend interessant is. Tenslotte gaat het daar om de wetten die het extreem jonge heelal beschrijven. De nog onbewezen theorie om de twee theorieën te verenigen is de snaartheorie, ondertussen ook al meer dan 20 jaar oud.

Snaartheorie gaat ervan uit dat alle materie in het heelal bestaat uit minuscule trillende snaartjes en membranen, niet meer dan 10-33 meter groot. De elementaire snaren kunnen volgens de snaartheorie in 10 verschillende richtingen of dimensies trillen, waarvan wij er maar vier waarnemen: lengte, hoogte, diepte en tijd. Verschillende trillingen van zo’n snaar komen volgens de theorie overeen met verschillende ‘elementaire’ deeltjes zoals quarks, elektronen en neutrino’s. Anders dan de kwantumveldentheorie kan snaartheorie prima omgaan met de relativiteitstheorie; die komt zelfs ‘gratis’ uit het wiskundige bouwwerk gerold.

In de snaartheorie worden alle mogelijke deeltjes voorgesteld als verschillende manieren waarop een snaar ( string in het Engels) kan trillen. Zulke snaren kunnen open (boven, losse uiteinden) of gesloten zijn.

Voorlopig is de paper van Snoek en collega’s alleen een leidraad: het team laat hiermee zien hoe iemand supersymmetrie kan testen. Uitvoering van het experiment is een tweede, want hoewel alle benodigde deeltechnieken al bestaan, moet een onderzoeker die wél allemaal samen laten werken. Vooral een reeks atomen in een BEC-draaikolk inbrengen zal nog problemen opleveren.

Snaartheorie kan de bevestiging door experimenten wel gebruiken. De theorie bestaat al jaren, maar omdat het deeltjesgedrag waarover ze spreekt pas bij enorme energie zichtbaar wordt, zijn de bestaande deeltjesversnellers niet krachtig genoeg om de voorspellingen direct te testen. De indirecte test die Snoek en zijn collega’s voorstellen is the next best thing. Afwachten maar tot iemand het experiment daadwerkelijk uitvoert!

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 mei 2005

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.