De symmetrieën die de wereld van elementaire deeltjes op het meest elementaire niveau beheersen, zouden radicaal kunnen verschillen van wat tot nu toe werd gedacht. Deze verrassende conclusie komt naar voren uit nieuw werk van theoretici uit Warschau en Potsdam. Het schema dat ze poneren verenigt alle natuurkrachten op een manier die consistent is met bestaande waarnemingen en anticipeert op het bestaan ​​van nieuwe deeltjes met ongebruikelijke eigenschappen die zelfs in onze nabije omgeving aanwezig kunnen zijn.

Een halve eeuw lang, natuurkundigen hebben geprobeerd een theorie te construeren die alle vier de fundamentele natuurkrachten verenigt, beschrijft de bekende elementaire deeltjes en voorspelt het bestaan ​​van nieuwe. Tot dusver, deze pogingen hebben geen experimentele bevestiging gevonden, en het standaardmodel - een onvolledige, maar verrassend effectieve theoretische constructie - is nog steeds de beste beschrijving van de kwantumwereld. In een recent artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , Prof. Krzysztof Meissner van het Instituut voor Theoretische Fysica, Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau, en Prof. Hermann Nicolai van het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam hebben een nieuw schema gepresenteerd waarin het standaardmodel wordt veralgemeend dat zwaartekracht in de beschrijving opneemt. Het nieuwe model past een soort symmetrie toe die niet eerder werd gebruikt in de beschrijving van elementaire deeltjes.

in de natuurkunde, symmetrieën worden enigszins anders begrepen dan in de informele zin van het woord. Bijvoorbeeld, of een bal nu of over een minuut wordt gedropt, het zal nog steeds op dezelfde manier vallen. Dat is een manifestatie van een zekere symmetrie:de wetten van de fysica blijven onveranderd met betrekking tot verschuivingen in de tijd. evenzo, het laten vallen van de bal van dezelfde hoogte op de ene locatie heeft hetzelfde resultaat als het laten vallen van de bal op een andere. Dit betekent dat de wetten van de fysica ook symmetrisch zijn met betrekking tot ruimtelijke operaties.

"Symmetrieën spelen een grote rol in de natuurkunde omdat ze gerelateerd zijn aan de principes van behoud. het principe van het behoud van energie impliceert symmetrie met betrekking tot verschuivingen in de tijd, het principe van het behoud van momentum heeft betrekking op de symmetrie van ruimtelijke verplaatsing, en het principe van het behoud van impulsmoment heeft betrekking op rotatiesymmetrie, " zegt prof. Meissner.

Het ontwikkelen van een supersymmetrische theorie om de symmetrieën tussen fermionen en bosonen te beschrijven begon in de jaren zeventig. Fermionen zijn elementaire deeltjes waarvan de spin, een kwantumeigenschap gerelateerd aan rotatie, wordt uitgedrukt in oneven veelvouden van de breuk 1/2, en ze omvatten zowel quarks als leptonen. Onder de laatste zijn elektronen, muonen, tauen, en de bijbehorende neutrino's (evenals hun antideeltjes). Protonen en neutronen, gewone niet-elementaire deeltjes, zijn ook fermionen. bosonen, beurtelings, zijn deeltjes met gehele spin-waarden. Ze omvatten de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor krachten (fotonen, dragers van de elektromagnetische kracht; gluonen, het dragen van de sterke kernkracht; W en Z bosonen, die de zwakke kernkracht draagt), evenals het Higgs-deeltje.

"De eerste supersymmetrische theorieën probeerden de krachten te combineren die typisch zijn voor elementaire deeltjes, met andere woorden de elektromagnetische kracht met een symmetrie die bekend staat als U(1), de zwakke kracht met symmetrie SU(2) en de sterke kracht met symmetrie SU(3). Zwaartekracht ontbrak nog, Prof. Meissner zegt. "De symmetrie tussen de bosonen en fermionen was nog steeds globaal, wat hetzelfde betekent op elk punt in de ruimte. Kort daarna, theorieën werden geponeerd waar symmetrie lokaal was, wat betekent dat het zich op elk punt in de ruimte anders kan manifesteren. Zorgen voor een dergelijke symmetrie in de theorie die nodig is om gravitatie op te nemen, en zulke theorieën werden bekend als superzwaartekracht."

Natuurkundigen merkten op dat in superzwaartekrachttheorieën in vier tijdruimtelijke dimensies, er kunnen niet meer dan acht verschillende supersymmetrische rotaties zijn. Elke dergelijke theorie heeft een strikt gedefinieerde reeks velden (vrijheidsgraden) met verschillende spins (0, 1/2, 1, 3/2 en 2), respectievelijk bekend als de velden van scalairen, fermionen, bosonen, gravitino's en gravitonen. Voor superzwaartekracht N=8, die het maximale aantal omwentelingen heeft, er zijn 48 fermionen (met spin 1/2), dat is precies het aantal vrijheidsgraden dat nodig is om rekening te houden met de zes soorten quarks en zes soorten leptonen die in de natuur worden waargenomen. Er waren dus alle aanwijzingen dat superzwaartekracht N=8 in veel opzichten uitzonderlijk is. Echter, het was niet ideaal.

Een van de problemen bij het opnemen van het standaardmodel in N=8-superzwaartekracht werd veroorzaakt door de elektrische ladingen van quarks en leptonen. Alle ladingen bleken 1/6 verschoven ten opzichte van die in de natuur:het elektron had een lading van -5/6 in plaats van -1, het neutrino had 1/6 in plaats van 0, enz. Dit probleem, meer dan 30 jaar geleden voor het eerst waargenomen door Murray Gell-Mann, werd niet opgelost tot 2015, toen de professoren Meissner en Nicolai het respectieve mechanisme presenteerden voor het wijzigen van de U(1)-symmetrie.

"Na deze aanpassing hebben we een structuur verkregen met de symmetrieën U(1) en SU(3) die bekend zijn uit het standaardmodel. De aanpak bleek heel anders te zijn dan alle andere pogingen om de symmetrieën van het standaardmodel te veralgemenen. De motivatie was versterkt door het feit dat de LHC-versneller niets produceerde buiten het standaardmodel en het gehalte aan superzwaartekrachtfermionen van N=8 is compatibel met deze waarneming.Wat ontbrak was de toevoeging van de SU(2)-groep, verantwoordelijk voor de zwakke kernkracht. In onze recente krant we laten zien hoe dit kan. Dat zou verklaren waarom alle eerdere pogingen om nieuwe deeltjes te detecteren, gemotiveerd door theorieën die de SU (2) symmetrie behandelden als spontaan geschonden voor lage energieën, maar als vasthoudend in het bereik van hoge energieën, moest tevergeefs zijn. In ons zicht, SU(2) is slechts een benadering voor zowel lage als hoge energieën, " legt prof. Meissner uit.

Zowel het mechanisme dat de elektrische ladingen van de deeltjes verzoent, en de verbetering met de zwakke kracht bleek te behoren tot een symmetriegroep die bekend staat als E10. In tegenstelling tot de symmetriegroepen die eerder in unificatietheorieën werden gebruikt, E10 is een oneindige groep, zeer slecht bestudeerd, zelfs in de puur wiskundige zin. Prof. Nicolai met Thibault Damour en Marc Henneaux hadden eerder aan deze groep gewerkt, omdat het verscheen als een symmetrie in N=8 superzwaartekracht onder omstandigheden vergelijkbaar met die tijdens de eerste momenten na de oerknal, toen slechts één dimensie significant was:tijd.

"Voor de eerste keer, we hebben een schema dat precies anticipeert op de samenstelling van de fermionen in het standaardmodel - quarks en leptonen - en dat doet met de juiste elektrische ladingen. Tegelijkertijd wordt de zwaartekracht in de beschrijving opgenomen. Het is een enorme verrassing dat de juiste symmetrie de verbluffend grote symmetriegroep E10 is, wiskundig vrijwel onbekend. Als verder werk de rol van deze groep bevestigt, dat zal een radicale verandering betekenen in onze kennis van de symmetrieën van de natuur, " zegt prof. Meissner.

Hoewel de dynamiek nog niet wordt begrepen, het door de professoren Meissner en Nicolai voorgestelde schema doet specifieke voorspellingen. Het houdt het aantal spin 1/2-fermionen vast zoals in het standaardmodel, maar suggereert aan de andere kant het bestaan ​​van nieuwe deeltjes met zeer ongebruikelijke eigenschappen. belangrijk, ten minste enkele van hen zouden in onze directe omgeving aanwezig kunnen zijn, en hun detectie moet binnen de mogelijkheden van moderne detectieapparatuur vallen. Maar dat is een onderwerp voor een apart verhaal.