Supersymmetrie Een mogelijke spookachtige verbinding tussen deeltjes

Iedereen die basiswetenschap heeft gestudeerd, kent het atoom: de basisbouwsteen van de materie zoals wij die kennen. We zijn allemaal, samen met onze planeet, het zonnestelsel, sterren en sterrenstelsels, gemaakt van atomen. Maar atomen zelf zijn opgebouwd uit veel kleinere eenheden die "subatomaire deeltjes" worden genoemd - elektronen, protonen en neutronen. De studie van deze en andere subatomaire deeltjes wordt "deeltjesfysica" genoemd, de studie van de aard van en interacties tussen deze deeltjes, waaruit materie en straling bestaan.

Een van de nieuwste onderwerpen in het onderzoek naar deeltjesfysica is "supersymmetrie" die, net als snaartheorie, modellen van eendimensionale strings gebruikt in plaats van deeltjes om bepaalde fenomenen te verklaren die nog steeds niet goed worden begrepen. De theorie zegt dat aan het begin van het universum, toen de rudimentaire deeltjes werden gevormd, een gelijk aantal zogenaamde "superpartikels" of "superpartners" tegelijkertijd werden gecreëerd. Hoewel dit idee nog niet is bewezen, gebruiken fysici instrumenten zoals de Large Hadron Collider om naar deze superdeeltjes te zoeken. Als ze bestaan, zou het minstens het aantal bekende deeltjes in de kosmos verdubbelen. Om supersymmetrie te begrijpen, is het het beste om te beginnen met een blik op de deeltjes die zijn bekend en begrepen in het universum.

De subatomaire deeltjes verdelen

Subatomaire deeltjes zijn niet de kleinste materie-eenheden. Ze bestaan ​​uit nog kleinere delen die elementaire deeltjes worden genoemd, die door fysici zelf worden beschouwd als excitaties van kwantumvelden. In de natuurkunde zijn velden gebieden waar elk gebied of punt wordt beïnvloed door een kracht, zoals zwaartekracht of elektromagnetisme. "Quantum" verwijst naar de kleinste hoeveelheid van een fysieke entiteit die betrokken is bij interacties met andere entiteiten of wordt beïnvloed door krachten. De energie van een elektron in een atoom wordt gekwantiseerd. Een lichtdeeltje, een foton genoemd, is een enkele hoeveelheid licht. Het veld van de kwantummechanica of kwantumfysica is de studie van deze eenheden en hoe fysische wetten ze beïnvloeden. Of beschouw het als de studie van zeer kleine velden en afzonderlijke eenheden en hoe deze worden beïnvloed door fysieke krachten.

Deeltjes en theorieën

Alle bekende deeltjes, inclusief de sub-atomaire deeltjes, en hun interacties worden beschreven door een theorie die het standaardmodel wordt genoemd. Het heeft 61 elementaire deeltjes die kunnen worden gecombineerd om samengestelde deeltjes te vormen. Het is nog geen volledige beschrijving van de natuur, maar het geeft deeltjesfysici genoeg om enkele fundamentele regels te proberen te begrijpen over hoe materie is samengesteld, met name in het vroege universum.

Het standaardmodel beschrijft drie van de vier fundamentele krachten in het universum: de elektromagnetische kracht (die zich bezighoudt met interacties tussen elektrisch geladen deeltjes), de zwakke kracht (die zich bezighoudt met de interactie tussen subatomaire deeltjes die resulteert in radioactief verval), en de sterke kracht (die deeltjes op korte afstanden bij elkaar houdt). Het verklaart niet de zwaartekracht. Zoals hierboven vermeld, beschrijft het ook de 61 deeltjes die tot nu toe bekend zijn. 

Deeltjes, Krachten en Supersymmetrie

De studie van de kleinste deeltjes en de krachten die deze beïnvloeden en beheersen, heeft fysici geleid tot het idee van supersymmetrie. Het beweert dat alle deeltjes in het universum in twee groepen zijn verdeeld: bosonen (die zijn onderverdeeld in ijkbosonen en één scalair boson) en fermionen (die worden onderverdeeld in quarks en antiquarks, leptons en anti-leptons, en hun verschillende 'generaties). De hadrons zijn composieten van meerdere quarks. De supersymmetrietheorie stelt dat er een verband is tussen al deze deeltjestypes en subtypen. Dus, voor supersymmetrie zegt bijvoorbeeld dat voor elk boson een fermion moet bestaan, of, voor elk elektron, suggereert dit dat er een superpartner wordt genoemd een "selectron" en vice versa. Deze superpartners zijn op een of andere manier met elkaar verbonden.

Supersymmetrie is een elegante theorie, en als bewezen wordt dat het waar is, zou het een heel stuk helpen fysici de bouwstenen van materie in het standaardmodel volledig uit te leggen en de zwaartekracht in de plooi te brengen. Tot nu toe zijn echter geen superpartner-deeltjes gedetecteerd in experimenten met de Large Hadron Collider. Dat betekent niet dat ze niet bestaan, maar dat ze nog niet zijn gedetecteerd. Het kan ook deeltjesfysici helpen de massa vast te stellen van een heel basaal subatomair deeltje: het Higgs-boson (wat een manifestatie is van iets dat het Higgs-veld wordt genoemd). Dit is het deeltje dat alle materie zijn massa geeft, dus het is belangrijk om het goed te begrijpen.

Waarom is Supersymmetry belangrijk??

Het concept van supersymmetrie, hoewel uiterst complex, is in wezen een manier om dieper in te gaan op de fundamentele deeltjes waaruit het universum bestaat. Hoewel deeltjesfysici denken dat ze de zeer basale eenheden van materie in de sub-atomaire wereld hebben gevonden, zijn ze er nog lang niet in om ze volledig te begrijpen. Het onderzoek naar de aard van subatomaire deeltjes en hun mogelijke superpartners zal dus worden voortgezet.

Supersymmetrie kan natuurkundigen ook helpen bij het vaststellen van de aard van donkere materie. Het is een (tot nu toe) ongeziene vorm van materie die indirect kan worden gedetecteerd door zijn zwaartekrachteffect op reguliere materie. Het zou goed kunnen uitkomen dat dezelfde deeltjes die in supersymmetrieonderzoek worden gezocht, een aanwijzing kunnen zijn voor de aard van donkere materie.