Theoretisch fysici van het PRISMA+ Cluster of Excellence aan de Johannes Gutenberg University Mainz werken aan een theorie die verder gaat dan het standaardmodel van de deeltjesfysica en die vragen kunnen beantwoorden waar het standaardmodel moet slagen, bijvoorbeeld:met betrekking tot de hiërarchieën van de massa's van elementaire deeltjes of het bestaan ​​van donkere materie. Het centrale element van de theorie is een extra dimensie in ruimtetijd. Tot nu, wetenschappers werden geconfronteerd met het probleem dat de voorspellingen van hun theorie niet experimenteel konden worden getest. Ze hebben dit probleem nu overwonnen in een publicatie in het huidige nummer van de Europees fysiek tijdschrift C .

Al in de jaren twintig, in een poging om de zwaartekracht en het elektromagnetisme te verenigen, Theodor Kaluza en Oskar Klein speculeerden over het bestaan ​​van een extra dimensie buiten de bekende drie ruimtedimensies en tijd - die in de natuurkunde worden gecombineerd tot 4-dimensionale ruimtetijd. Als het bestaat, zo'n nieuwe dimensie zou ongelooflijk klein en onmerkbaar moeten zijn voor het menselijk oog. In de late jaren 1990 heeft dit idee een opmerkelijke renaissance gekend, toen men zich realiseerde dat het bestaan ​​van een vijfde dimensie enkele van de diepgaande open vragen van de deeltjesfysica zou kunnen oplossen. Vooral, Yuval Grossman van Stanford University en Matthias Neubert, toen een professor aan de Cornell University, toonde in een veel geciteerde publicatie aan dat de inbedding van het standaardmodel van deeltjesfysica in een 5-dimensionale ruimtetijd de tot dusverre mysterieuze patronen in de massa's van elementaire deeltjes zou kunnen verklaren.

Nog eens 20 jaar later, de groep van Matthias Neubert - sinds 2006 verbonden aan de faculteit van de Johannes Gutenberg Universiteit in Mainz (Duitsland) en woordvoerder van de PRISMA+ Cluster of Excellence - deed nog een onverwachte ontdekking:ze ontdekten dat de 5-dimensionale veldvergelijkingen het bestaan ​​voorspelden van een nieuwe, zwaar deeltje met vergelijkbare eigenschappen als het beroemde Higgs-deeltje, maar een veel zwaardere massa - zo zwaar, in feite, dat het zelfs niet kan worden geproduceerd bij de meest energieke deeltjesversneller ter wereld:de Large Hadron Collider (LHC) in het Europees Centrum voor Nucleair Onderzoek CERN bij Genève (Zwitserland). "Het was een nachtmerrie", herinnert zich Javier Castellano Ruiz, een doctoraat student betrokken bij het onderzoek, "we waren opgewonden door het idee dat onze theorie een nieuw deeltje voorspelt, maar het bleek onmogelijk om deze voorspelling in een voorzienbaar experiment te bevestigen."

De omweg door de vijfde dimensie

In een recent artikel gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift C , de onderzoekers vonden een spectaculaire oplossing voor dit dilemma. Ze ontdekten dat hun voorgestelde deeltje noodzakelijkerwijs een nieuwe kracht zou bemiddelen tussen de bekende elementaire deeltjes (ons zichtbare universum) en de mysterieuze donkere materie (de donkere sector). Zelfs de overvloed aan donkere materie in de kosmos, zoals waargenomen in astrofysische experimenten, kunnen worden verklaard door hun theorie. Dit biedt spannende nieuwe manieren om naar de bestanddelen van de donkere materie te zoeken - letterlijk via een omweg door de extra dimensie - en om in een zeer vroeg stadium in de geschiedenis van ons universum aanwijzingen te krijgen over de fysica, toen de donkere materie werd geproduceerd. "Na jaren zoeken naar mogelijke bevestigingen van onze theoretische voorspellingen, we zijn er nu zeker van dat het mechanisme dat we hebben ontdekt de donkere materie toegankelijk zou maken voor toekomstige experimenten, omdat de eigenschappen van de nieuwe interactie tussen gewone materie en donkere materie - die wordt gemedieerd door ons voorgestelde deeltje - nauwkeurig kunnen worden berekend binnen onze theorie" zegt Matthias Neubert, hoofd van het onderzoeksteam. "Uiteindelijk - dus onze hoop - kan het nieuwe deeltje eerst worden ontdekt door zijn interacties met de donkere sector." Dit voorbeeld illustreert mooi de vruchtbare wisselwerking tussen experimentele en theoretische basiswetenschap - een kenmerk van de PRISMA+ Cluster of Excellence.