science >> Wetenschap > >> Fysica

Kan de LHC de snaartheorie bewijzen?

Een onderhoudsmedewerker inspecteert op 19 november de Large Hadron Collider (LHC)-tunnel in het onderzoekscentrum CERN (European Organization For Nuclear Research), 2013, in Genève, Zwitserland. Foto door Vladimir Simicek/isifa/Getty Images

Toen de Large Hadron Collider in 2008 voor het eerst werd aangezet, er waren schijnbaar eindeloze mogelijkheden - en ideeën - voor wat het zou kunnen vinden. Misschien zou het het ongrijpbare Higgs-deeltje kunnen spotten, wat wetenschappers zou helpen te bevestigen hoe andere deeltjes aan massa winnen. Misschien zou het een groot aantal nieuwe deeltjes aan het licht brengen die natuurkundigen niet alleen de bevestiging van supersymmetrie zouden geven, maar ook een overvloed aan nieuwe wetenschap om te bestuderen. Misschien zou het een nieuw universum creëren waar het OK was om Cheetos te eten voor het avondeten en protonen eruitzagen als Froot Loops.

Sommige van deze mogelijkheden waren waarschijnlijker dan andere. En een paar van hen (ahem) waren, in feite, niet echt binnen het bereik van de LHC. Terwijl nee-zeggers voorspelden dat de mini-Big Bangs van de LHC zwarte gaten zouden creëren die de wereld zouden vernietigen en het universum zouden opeten zoals zoveel Cheetos voor het avondeten, de waarheid is dat er niet zoveel theorieën waren die de LHC kon bewijzen of weerleggen.

En wat dat bereik betreft:nee, de LHC gaat de snaartheorie niet bewijzen, maar het kan wel bewijs leveren ter ondersteuning van ideeën die centraal staan in de snaartheorie.

Denk er zo over na:ik loop langs en zie een tunnel. Ik denk dat die tunnel een soort kreek heeft die er doorheen loopt, dus ik gooi een bal erin en kijk wat er gebeurt als hij er aan de andere kant uitkomt. Als de bal er kletsnat uit komt, Ik zou kunnen zeggen dat het mijn theorie dat de tunnel een stroom bevatte volledig ondersteunt. Maar iemand anders zou kunnen zeggen dat het de theorie ondersteunt dat er een sprinkler in de tunnel zit. Weer een ander zou kunnen zeggen dat het eigenlijk regent in de tunnel, en een natte bal is precies het ding om het te bewijzen.

Het enige dat we met zekerheid kunnen zeggen is dat de natte bal al die theorieën ondersteunt, en sluit misschien de theorie uit dat de tunnel kurkdroog is. Bij de LHC, natuurkundigen met zeer uiteenlopende ideeën zijn op zoek naar "de bal is nat"-verklaringen om theorieën over hoe deeltjes (en het universum) werken te ondersteunen of te weerleggen. Een van die theorieën is de snaartheorie.

De snaartheorie zegt in feite dat deeltjes zijn samengesteld uit energieën die lijken op trillende snaren. De kenmerkende trillingen van de snaren creëren alle verschillende deeltjes en krachten. Dus, fundamenteel, alle materie en krachten in het universum zijn gemaakt van deze trillende snaren [bron:Greene]. Maar hier is een leuk weetje:de snaartheorie wordt niet echt een verenigende theorie - een theorie die het ontstaan van elke kracht en elk deeltje in het universum kan verklaren - tenzij blijkt dat het universum ook meer dan drie dimensies heeft. Die, je weet wel, Het is moeilijk om veel natuurkundigen de hand te laten schudden.

En met een goede reden. Dit is geen Zweinstein, we kunnen niet zomaar in een andere dimensie verschijnen om te controleren of het er echt is. We kunnen alleen maar rondkijken en drie waarneembare dimensies voor ons zien. Maar je zou jezelf misschien kunnen overhalen om het te geloven als je de afmetingen als echt beschouwt, heel klein ... misschien zijn ze gewoon te klein om te zien.

Dat levert een probleem op:als de benodigde afmetingen te klein zijn om te zien, hoe kunnen we in vredesnaam verwachten dat we een hypothese over -snaartheorie zullen observeren - of zelfs testen?

Dat is waar de LHC om de hoek komt kijken. Er worden een paar ideeën rondgestrooid om enkele kenmerken van de snaartheorie te testen. Een daarvan is vrij eenvoudig:het eenvoudigste model van de snaartheorie voorspelt het bestaan van superpartnerdeeltjes. In principe, dit zijn veel zwaardere partners van de standaardmodel-quarks en leptonen die natuurkundigen al hebben waargenomen, en ze zouden kracht en materie verenigen. Natuurkundigen verwachtten superpartners te vinden in dezelfde massa als de Higgs, maar dat hebben ze nog niet. Dus, de LHC doet zijn uiterste best om die superpartnerdeeltjes te vinden, zowel in hun laatste protonbotsingen, en in toekomstige experimenten met nog hogere energieën. De "natte bal" in dit geval - superpartnerdeeltjes - zou ook de theorie van supersymmetrieën ondersteunen, die is aangesloten op, maar gescheiden van, snaartheorie.

De LHC kan ook op jacht gaan naar die ultrakleine dimensies die zouden moeten bestaan om de snaartheorie als een verenigde theorie te laten werken. Als die afmetingen bestaan, we zouden er bijna in zwemmen. LHC kan protonen tegen elkaar slaan om nieuwe deeltjes te produceren - net zoals het altijd heeft gedaan. Door de energie van de deeltjes die bij de botsingen zijn gevormd op te tellen en af te trekken van de energie die de deeltjes vóór de botsing hebben, we kunnen zien of een deel van de energie MIA is. Als het is, dan kunnen we misschien zeggen:"Hallo, we weten niet waar die energie naartoe is gegaan, maar misschien is het in een andere dimensie."

Deze keer, de natte bal is het verschil in energie voor en na de botsing. Opnieuw, dit zou geen snaartheorie of zelfs extra dimensies "bewijzen". Maar het zou een wetenschappelijke ontdekking zijn die enkele van de dingen ondersteunt die nodig zijn om de snaartheorie te laten werken.

Wat we niet kunnen voorspellen, is of de snaartheorie zal uitgroeien tot een wetenschappelijke hypothese die we kunnen testen of observeren. Direct, een van de redenen waarom het zo controversieel is, is dat veel natuurkundigen denken dat het niet mogelijk is om te testen, en nog belangrijker, ze denken niet dat het mogelijk is om onwaar te bewijzen. Sommigen in de natuurkundige gemeenschap vinden het prettig om te zeggen dat de snaartheorie niet falsifieerbaar is [bron:Nature Physics]. (Dat betekent dat je de hypothese moet kunnen weerleggen, niet alleen bevestigen.)

Dus, terwijl we er redelijk zeker van kunnen zijn dat nee, de LHC gaat niet bewijzen dat de snaartheorie waar is met behulp van protonbotsingen, natuurkundigen kunnen enig bewijs vinden dat niet bewijst dat het verkeerd is.

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Kan de LHC de snaartheorie bewijzen?

Luisteren, Ik ben net zo bang als de volgende die zegt dat snaartheorie goed of slecht is. Natuurkundigen zijn er gek op, aan beide kanten van de medaille. Voor meer informatie over snaartheorie of de controverse eromheen, bekijk de bronnen voor meer informatie.

bronnen:

Brumfiel, Geoff. "Theoretici smullen van Higgs-gegevens." Natuur. 18 juli 2012. (25 juli, 2014) http://www.nature.com/news/theorists-feast-on-higgs-data-1.11018
Butterworth, Jon. "Eerste bewijs voor snaartheorie bij de Large Hadron Collider." De Wachter. 1 april, 2012. (25 juli, 2014) http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2012/apr/01/1
Studiebeurs, Andreas. "De man die alle snaren tokkelt." Ontdek Tijdschrift. 9 maart 2010. (25 juli, 2014) http://discovermagazine.com/2010/extreme-universe/08-discover-interview-man-who-plucks-all-the-strings
jones, André Zimmerman. "Kan de snaartheorie worden getest?" NOVA. 24 september 2012. (25 juli, 2014) http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2012/09/can-string-theory-be-tested/
Livio, Mario. "Hoe kunnen we zien of er een multiversum bestaat?" Huffington Post. 13 december 2012. (25 juli, 2014) http://www.huffingtonpost.com/mario-livio/how-can-we-tell-if-a-multiverse-exists_b_2285406.html
Natuurfysica. 'Aan een touwtje vastgebonden?' 2006. (25 juli, 2014) http://www.nature.com/nphys/journal/v2/n11/full/nphys460.html
Strassler, Mat. "Heeft de LHC de snaartheorie gewoon uitgesloten?!" Van Bijzonder Betekenis. 17 september 2013. (25 juli, 2014) http://profmattstrassler.com/2013/09/17/did-the-lhc-just-rule-out-string-theory/
De econoom. "Leven na Higgs." 19 juli 2012. (25 juli, 2014) http://www.economist.com/blogs/babbage/2012/07/qa-brian-greene
Het deeltjesavontuur. "Onopgeloste mysteries." Het Lawrence Berkeley National Laboratory. (25 juli, 2014) http://www.particleadventure.org/extra_dim.html
Wauw, Pieter. Niet eens de verkeerde blog. (25 juli, 2014) http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=533
Wolchover, Natalie. "Is de natuur onnatuurlijk?" Quanta Magazine. 24 mei, 2013. (25 juli, 2014) http://www.simonsfoundation.org/quanta/20130524-is-nature-unnatural/