De natuur houdt van symmetrie. Newton leerde ons dat iedere actie een gelijke en tegengestelde reactie opwekt. Het kosmologisch principe vertelt ons dat het heelal, op voldoende grote schaal, homogeen en isotroop is. Ons schoonheidsideaal is zelfs op symmetrie gebaseerd: hoe perfecter de spiegelsymmetrie van een gezicht, hoe mooier we het vinden. Ook in de deeltjesfysica zoeken natuurkundigen naar symmetrie, maar daar stuiten ze op onverwacht grote problemen. Het mooie Standaardmodel (zie kader) wankelt op zijn sokkel nu de onderliggende symmetrie maar niet gevonden wordt.
Op het eerste gezicht lijkt er niets mis met het Standaardmodel. Er zijn zes quarks, zes leptonen en vier krachtdeeltjes, en met die ingrediënten is alle materie om ons heen te beschrijven. Maar een tweede blik op het model roept een vraag op: waarom hebben al die deeltjes zulke verschillende massa’s? Theoretisch natuurkundigen bedachten een oplossing, die ze het Higgsmechanisme noemden. Er is een achterliggend veld, het Higgsveld, dat alle deeltjes voelen. Sommige deeltjes hebben een sterke wisselwerking met dat veld, waardoor ze erg zwaar zijn. Andere deeltjes merken er weinig van en hebben bijna geen massa. Bij het Higgsveld hoort ook een deeltje, het Higgsboson. En daar wordt het lastig.
Het Standaardmodel
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie die alle krachten en deeltjes beschrijft waar materie van gemaakt is. In het standaardmodel komen drie verschillende soorten deeltjes voor: quarks (paars), leptonen (groen) en bosonen of krachtdeeltjes (blauw).
Het standaardmodel stamt uit 1967 en voorspelde het bestaan van enkele bosonen en quarks. Die werden later pas experimenteel aangetoond. Maar om het model compleet te maken, moet eerst nog het Higgsboson (niet afgebeeld) worden gevonden. Afbeelding: © Fermilab
Als het Higgsmechanisme inderdaad de massa van deeltjes verklaart, moet het Higgsboson te vinden zijn. Dat is blijkbaar niet makkelijk, anders waren we het wel eerder tegengekomen. De grote vraag is wat het Higgsboson weegt. Als we dat weten kunnen we preciezer gaan zoeken naar het deeltje en onze meetapparatuur erop scherp stellen. Maar juist de massa van het Higgsboson levert problemen op. Natuurkundigen hebben weliswaar een mogelijke massa uitgerekend, maar die is vervelend. Als het deeltje namelijk ietsje lichter of zwaarder is, klopt meteen het hele model niet meer. Dat heet een instabiel evenwicht, en daar hebben natuurkundigen een broertje dood aan. Het zou namelijk betekenen dat een iets afwijkende waarde van de natuurconstanten een heel ander heelal zou hebben opgeleverd dan datgene waar we nu in wonen.
Je zou nu kunnen besluiten om het Higgsmechanisme af te schrijven als verklaring voor de massa van deeltjes, maar op die vervelende massa na werkt het wel erg goed. Zo voorspelde het Higgsmechanisme de eigenschappen van W- en Z-bosonen correct en beschrijft het prima hoe de quarks en leptonen uit het Standaardmodel met elkaar wisselwerken. De massa van het Higgsboson mag dan wel een struikelblok zijn, maar daar zijn oplossingen voor te vinden. De beroemdste oplossing is er één die momenteel getest wordt in de grootste deeltjesversneller ter wereld. De Large Hadron Collider speurt naar sporen van supersymmetrie (SuSy).
ATLAS is één van de detectoren die sporen van deeltjes meten in de LHC. In ATLAS wordt onder andere gezocht naar het Higgs-boson en naar sporen van supersymmetrische partnerdeeltjes. Afbeelding: © CERN
Supersymmetrische onderlaag
Alsof de symmetrie binnen het Standaardmodel nog niet genoeg is, hebben de bedenkers van supersymmetrie er nog een schematische laag onder gelegd. Ieder deeltje uit het Standaardmodel krijgt een supersymmetrische partner. Dat deeltje is precies hetzelfde als zijn broertje uit het Standaardmodel, op één detail na: zijn spin is anders. Je kan de spin van een deeltje zien als een draai-impuls: als het deeltje een tolletje is, geeft de spin aan welke kant hij op draait en hoe snel. Dat beeld klopt niet helemaal omdat elementaire deeltjes geen voor- en achterkant hebben en dus ook geen echte draairichting, maar het blijkt een hele belangrijke eigenschap van zo’n deeltje. Spin komt alleen voor in hele en halve hoeveelheden. Een deeltje met een heeltallige spin (0, 1 of -1 bijvoorbeeld) noemen we een boson, een deeltje met een halftallige spin (1/2, -1,2, 3/2 enzovoort) noemen we een fermion.
De SuSy-partnerdeeltjes van het Standaardmodel hebben een spin die precies 1/2 verschilt van die van het bekende deeltje. Een boson heeft dus een fermion-partner, en andersom. Door het bestaan van de SuSy-deeltjes heeft het Higgs-boson wat ademruimte: het hoeft niet meer zo’n heel precieze massa te hebben, maar er is een groot gebied waarin naar het boson gezocht mag worden.
Supersymmetrie kent één duidelijk probleem. Als het verschil tussen de Standaarddeeltjes en hun SuSy-partner echt alleen de spin is, waarom hebben we ze dan niet allang gevonden? De algemeen aanvaarde oplossing is dat de symmetrie gebroken is: de partnerdeeltjes zijn veel zwaarder dan de gewone deeltjes en wisselwerken bijna nooit met de wereld om ons heen. Met die aanpassing is supersymmetrie een goed werkende aanvulling op het Standaardmodel, waarmee niet alleen het bestaan van de verschillende deeltjes maar ook hun massa netjes verklaard kan worden.
Wetenschappers verschillen wel van mening over hoe de SuSy-deeltjes zich precies gedragen. Er bestaan een flink aantal modellen voor supersymmetrie. Het meest populaire daarvan houdt onder andere in dat SuSy-deeltjes altijd in paren ontstaan, en dat het lichtste SuSy-deeltje stabiel is. Die populaire variant van SuSy wordt momenteel getest in de LHC.
Een andere in de LHC detector is LHCb, die met name gebouwd is om uit te zoeken waarom er in ons heelal zo weinig antimaterie is. Ook bij LHCb wordt naar SuSy-deeltjes gezocht. Afbeelding: © CERN
In het nauw
Maar de laatste tijd ligt SuSy onder vuur. In het Zwitserse Genève botsen in de Large Hadron Collider sinds 2009 protonen op elkaar met energieën die zo hoog zijn dat de supersymmetrische deeltjes zo nu en dan op zouden moeten duiken in de meetapparatuur. Onderzoekers speuren heel gericht naar de sporen van SuSy-deeltjes, maar ze komen niet tevoorschijn. Hun massa staat in theorie nog niet vast, maar de ondergrens wordt door de experimenten steeds verder omhoog bijgesteld.
Daardoor lopen de onderzoekers tegen eenzelfde soort probleem aan als eerder bij de zoektocht naar de massa van het Higgsboson. Supersymmetrie kan nog steeds het Standaardmodel verklaren, maar daarvoor moeten de SuSy-deeltjes een steeds nauwkeuriger vastgepinde massa hebben. Als die massa een klein beetje anders zou zijn, zou de theorie in duigen vallen. Alweer een instabiel evenwicht dus – en was dat niet juist de aanleiding om supersymmetrie te introduceren?
Deeltjesfysicus Wouter Hulsbergen is op zoek naar sporen van supersymmetrie, en hij heeft het model nog lang niet afgeschreven. “Ik lig er nog niet wakker van dat we met de eerste data niet meteen supersymmetrische deeltjes hebben gezien. SuSy staat voor een grote verzameling aan modellen. De LHC kan sommige van die modellen nu min of meer uitsluiten. Echter, dat laat nog ruimte genoeg over voor andere SuSy-varianten.” Zo kunnen de deeltjes bij een hogere botsingsenergie alsnog gevonden worden. Misschien klopt het simpelste model gewoonweg niet, en heeft SuSy een andere vorm met zulke zware deeltjes dat zelfs de LHC ze niet kan zien. “Met andere modellen wordt SuSy veel moeilijker waar te nemen. De huidige metingen zeggen dan ineens erg weinig.”
Maar wat gebeurt er als de theorie zo ver in een hoekje wordt gedreven dat we vast kunnen stellen dat de SuSy-partners niet bestaan? Voor veel natuurkundigen zou het ontbreken van die deeltjes een klap voor hun carrière betekenen. Ze zullen moeten accepteren dat ze tientallen jaren van hun leven hebben besteed aan een theorie die niet klopt. Toch is het voor de meeste onderzoekers niet echt iets om van wakker te liggen. De grootste ontdekkingen in de natuurkunde zijn immers gedaan door oude modellen naar de prullenbak te verwijzen en door nieuwe te vervangen. Als SuSy niet klopt wordt het tijd voor Standaardmodel 2.0.
Onderzoekers hebben uitgerekend hoe de botsingspatronen in de LHC eruit zien als er SuSy-deeltjes bij gevormd zijn. Naar die patronen zijn ze nu op zoek. Afbeelding: © CERN
Technicolor en andere oplossingen
Een paar pasklare oplossingen liggen al klaar. Er bestaan bijvoorbeeld varianten van het Higgsmechanisme waarvoor het Higgsboson niet nodig is. Dat neemt het probleem in één keer weg, maar die beschrijving van het Higgsmechanisme is veel ingewikkelder dan degene waarin wél een Higgsboson voorkomt. Zo zijn er bijvoorbeeld nieuwe wisselwerkingen tussen deeltjes nodig die nog nooit in een experiment zijn waargenomen. Ook zijn er in de meeste van die modellen weer andere deeltjes nodig, die óók in de LHC tevoorschijn zouden moeten komen. Een voorbeeld van een model zonder Higgsboson is Technicolor.
De komende twee jaar worden hoe dan ook spannend voor de deeltjesfysica. De LHC zal botsingen met hogere energie gaan produceren. Zowel supersymmetrie als het Higgsmechanisme moeten bij die energie zichtbaar worden. Hulsbergen: “Als dat niet gebeurt, dan is wellicht de enige conclusie dat we in een ‘highly finetuned’ universum leven: als de natuurconstanten ook maar een miniem klein beetje anders waren, dan werkte het Higgsmechanisme niet, of in elk geval niet bij deze energieschaal. Dan zag het heelal er totaal anders uit.” Het ontbreken van supersymmetrie zou dus geen ramp zijn, maar een herinnering dat de natuur zich niet zo eenvoudig in een paar vergelijkingen laat vatten.
SuSy en donkere materie
Met het bestaan van de simpelste versie van supersymmetrie zou niet alleen het Higgsmechanisme verklaard zijn, maar ook een ander groot probleem opgelost kunnen worden. Zwaartekrachtmetingen laten zien dat een groot deel van het heelal vol zit met een goedje dat we niet kunnen waarnemen, beter bekend als donkere materie. Die materie zou uit SuSy-deeltjes kunnen bestaan. Ze zijn namelijk zwaar en lastig te detecteren, precies wat we nodig hebben om het donkere materie-probleem aan te pakken.
Als de supersymmetrische partnerdeeltjes niet blijken te bestaan moeten we ook op zoek naar een nieuwe verklaring voor donkere materie. Het zou niet alleen ons begrip van de allerkleinste deeltjes op de proef stellen, maar ook dat van de onopgeloste raadsels in het heelal.
Lees meer over deeltjesfysica op Kennislink:
"
