De toewijding van natuurkundigen aan symmetrie heeft hen eerder op een dwaalspoor gebracht

Tweede van twee onderdelen

Natuurkundigen hebben veel gemeen met Ponce de León en U2’s Bono. Na tientallen jaren zoeken worden ze er niet jonger op. En ze hebben nog steeds niet gevonden waarnaar ze op zoek waren.

In dit geval is het doel van de zoektocht van de fysici SUSY. SUSY is geen echt persoon of zelfs maar een fontein die op wat voor manier dan ook relevant is voor ouder worden. Het is een wiskundig raamwerk gebaseerd op symmetrieprincipes dat natuurkundigen zou kunnen helpen de mysteries van het universum beter uit te leggen. Veel experts geloven dat deeltjes die door SUSY worden voorspeld, de zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes zijn, of WIMP’s, die zogenaamd de onzichtbare “donkere materie” vormen die door de kosmos op de loer ligt.

Tot nu toe was SUSY echter een beetje een teleurstelling. Ondanks meerdere heroïsche zoektochten is SUSY aan het zicht onttrokken. Misschien is het een wiskundige luchtspiegeling.

Als SUSY een mythe blijkt te zijn, zal het niet de eerste keer zijn dat symmetrie de wetenschap op een wilde WIMP-achtervolging heeft gebracht. Redeneren vanuit de symmetrie van cirkelvormige beweging suggereerde oorspronkelijk het bestaan ​​van een nieuwe vorm van materie in de ruimte, meer dan twee millennia geleden. Toewijding aan die symmetrie verblindde de wetenschap voor de ware aard van het zonnestelsel en de beweging van de planeten voor de volgende 19 eeuwen.

Je kunt Plato en Aristoteles de schuld geven. In hun tijd bestond gewone materie zogenaamd uit vier elementen: aarde, lucht, vuur en water. Aristoteles bouwde een uitgebreide bewegingsleer op basis van die elementen. Hij stond erop dat ze van nature in rechte lijnen bewogen; aarde en water gaan recht naar beneden (naar het centrum van de wereld), lucht en vuur gaan recht omhoog. Aan de hemel merkte Aristoteles echter dat de beweging cirkelvormig leek, aangezien de sterren rond de nachtelijke hemel draaiden. “Onze ogen vertellen ons dat de hemelen in een cirkel draaien”, schreef hij in Op de hemel​ Omdat de bekende vier elementen allemaal in een rechte lijn bewogen, concludeerde Aristoteles dat de hemel moet bestaan ​​uit een vijfde element, ether genaamd – afwezig op aarde maar overheersend in de ruimte.

Plato had, eerder op theoretische dan op observationele gronden, al volgehouden dat de symmetrie van circulariteit perfectie betekende, en dat daarom cirkelvormige bewegingen aan de hemel nodig zouden zijn. En dus hield de veronderstelling dat de hemelbeweging cirkelvormig moet zijn, eeuwenlang een wurggreep op natuurfilosofen die probeerden het universum te begrijpen. Nog in de 16e eeuw was Copernicus bereid de aarde van Aristoteles af te zetten vanuit het midden van alles, maar geloofde nog steeds dat de aarde en andere planeten rond de zon draaiden met een combinatie van cirkelvormige bewegingen. Er ging weer een halve eeuw voorbij voordat Kepler ontdekte dat planetaire banen elliptisch zijn, niet cirkelvormig.

Aristoteles ‘geloof in een exotische vorm van materie in de ruimte verschilt niet zo veel van het beeld dat wetenschappers tegenwoordig van de hemel schilderen, zij het op een meer rigoureuze en verfijnde theoretische manier. Donkere materie overheerst in de ruimte, geloven astronomen; het wordt geconcludeerd dat het bestaat uit zwaartekrachtseffecten die de bewegingen van sterren en melkwegstelsels veranderen. En natuurkundigen hebben vastgesteld dat de donkere materie (om verschillende niet-circulaire redenen) niet kan worden gemaakt van dezelfde gewone materie die op aarde wordt aangetroffen.

SUSY-deeltjes zijn lange tijd een van de meest populaire voorstellen geweest voor de identiteit van deze kosmische donkere materie, gebaseerd op meer gecompliceerde noties van symmetrie dan die beschikbaar zijn voor Plato en Aristoteles. En sinds het begin van de 20e eeuw heeft symmetrie-wiskunde een verbazingwekkende reeks wetenschappelijke successen opgeleverd. Van de relativiteitstheorie van Einstein tot de theorie van elementaire deeltjes en krachten, symmetrieoverwegingen vormen nu de kern van het wetenschappelijke begrip van de natuur.

Deze wiskundige vormen van symmetrie zijn meer uitgebreide voorbeelden van symmetrie zoals algemeen wordt begrepen: een verandering waardoor de dingen er weer uitzien zoals ze er voorheen uitzagen. Een perfect symmetrisch gezicht ziet er hetzelfde uit als een spiegel van links naar rechts wisselt. Het uiterlijk van een perfecte bol verandert niet wanneer u deze draait om de andere kant te zien. Draai een sneeuwvlok met een veelvoud van 60 graden en je ziet dezelfde sneeuwvlok.

Op een vergelijkbare manier beschrijven meer geavanceerde wiskundige raamwerken, bekend als symmetriegroepen, aspecten van de fysieke wereld, zoals tijd en ruimte of de families van subatomaire deeltjes waaruit materie bestaat of die krachten overbrengen. Symmetrieën in de vergelijkingen van dergelijke wiskunde kunnen zelfs voorheen onbekende verschijnselen voorspellen. Symmetrie in de vergelijkingen die subatomaire deeltjes beschrijven, onthulde bijvoorbeeld dat voor elk deeltje de natuur een antimaterie-deeltje toestond, met een tegengestelde elektrische lading.

In feite passen alle bekende gewone materie- en krachtdeeltjes netjes in de wiskundige patronen die worden beschreven door symmetriegroepen. Maar geen van die deeltjes kan de donkere materie verklaren.

SUSY-deeltjes als een mogelijkheid voor donkere materie kwamen naar voren in de jaren zeventig en tachtig, toen theoretici een nog geavanceerder symmetriesysteem voorstelden. Die wiskunde, supersymmetrie genaamd (vandaar SUSY), suggereerde het bestaan ​​van een “super” partnerdeeltje voor elk bekend deeltje: een kracht-deeltje-partner voor elk materiedeeltje en een materie-deeltje-partner voor elk krachtdeeltje. Het was wiskundig gezien een elegant concept en het loste (of in ieder geval verbeterde) enkele andere lastige theoretische problemen op. Plus, van de superpartner-deeltjes die het voorspelde, leek de lichtste (welke dat ook was) waarschijnlijk een perfecte WIMP voor donkere materie.

Helaas hebben pogingen om WIMP’s (die de hele tijd de aarde zouden moeten raken) te detecteren bijna allemaal geen resultaat opgeleverd. Een experiment die beweerde dat een WIMP-detectie op wankele grond lijkt te staan ​​- een nieuw experiment, met dezelfde methode en materialen, meldt geen dergelijk WIMP-bewijs​ En pogingen om SUSY-deeltjes te produceren in ’s werelds krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider, zijn ook leeggelopen.

Sommige natuurkundigen hebben daarom SUSY opgegeven. En misschien is supersymmetrie net zo misleidend geweest als de Griekse verliefdheid op cirkelvormige bewegingen. Maar de waarheid is dat SUSY geen theorie is die kan worden gedood door een enkel experiment. Het is een vager wiskundig begrip, een raamwerk waarbinnen veel specifieke theorieën kunnen worden geconstrueerd.

“Je kunt SUSY niet echt doden omdat het niet een ding is”, zei natuurkundige Patrick Stengel van de International Higher School of Advanced Studies in Triëst, Italië, op een conferentie in Washington, DC in 2019. “Het is geen idee dat je kan doden. Het is eigenlijk gewoon een raamwerk voor een heleboel ideeën. “

Op dezelfde conferentie, natuurkundige van de Universiteit van Texas in Austin Katherine Freese wees erop dat er nooit enige garantie was dat de Large Hadron Collider SUSY zou ontdekken. “Zelfs voordat de LHC werd gebouwd, waren er veel mensen die zeiden dat het misschien niet genoeg energie zou krijgen,” zei ze.

Dus SUSY kan toch een voorbeeld blijken te zijn van symmetrie die natuurkunde naar succes leidt. Maar voor het geval dat natuurkundigen andere mogelijkheden van donkere materie hebben nagestreefd. Een oude suggestie die onlangs hernieuwde belangstelling heeft gekregen, is een lichtgewicht hypothetisch deeltje dat een axion wordt genoemd (SN: 24/03/20​

Natuurlijk, als er axions bestaan, kunnen symmetriefans zich nog steeds verheugen – de motivatie om het axion voor te stellen om mee te beginnen was het oplossen van een probleem met nog een andere vorm van symmetrie​