Met alleen pen en papier, een theoretisch fysicus heeft een decennia-oude bewering bewezen dat een sterke kracht genaamd Quantum Chromo Dynamics (QCD) leidt tot lichtgewicht pionen, meldt een nieuwe studie gepubliceerd op 23 juni in Fysieke beoordelingsbrieven .

De sterke kracht is verantwoordelijk voor veel dingen in ons universum, om de zon te laten schijnen, om quarks binnen protonen te houden. Dit is belangrijk omdat het ervoor zorgt dat de protonen en neutronen binden om kernen te vormen van elk atoom dat bestaat. Maar er is nog steeds veel mysterie rond de sterke kracht. Einstein's relatie E=mc2 betekent dat een sterke kracht leidt tot meer energie, en meer energie betekent een zwaardere massa. Maar subatomaire deeltjes die pionen worden genoemd, zijn erg licht van gewicht. Anders zouden kernen niet binden, er zouden geen andere atomen zijn dan waterstof, en we zouden niet bestaan. Waarom?

Toen quarks experimenteel werden ontdekt door ze met energetische elektronen uit een proton te slaan, wetenschappers kwamen met de "verklaring" dat een eigenschap van de sterke kracht die opsluiting wordt genoemd, quarks gevangen hield, voorkomen dat ze direct worden waargenomen. Echter, het mysterie bleef dat niemand theoretisch bewijs kon leveren dat opsluiting uit QCD voortkwam.

Wijlen Nobelprijswinnaar Yoichiro Nambu stelde voor dat een concept genaamd "spontane symmetriebreking" verantwoordelijk was voor het creëren van in wezen massaloze deeltjes die equivalent zijn aan pionen. Daarom zijn deze pionen zo licht in gewicht (in de echte wereld, kleine intrinsieke massa van quarks creëert geen volledig massaloze deeltjes). Maar nogmaals, niemand kon aantonen dat de theorie van de sterke kracht, QCD, realiseert de voorgestelde spontane symmetriebreking.

Dus Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) hoofdonderzoeker Hitoshi Murayama loste dit probleem op met behulp van een versie van de theorie met een wiskundig elegante verbetering die supersymmetrie wordt genoemd. Toch heeft de echte wereld geen supersymmetrie. Murayama benaderde de echte wereld met behulp van een specifieke manier om supersymmetrie te doorbreken, anomaliemediation genaamd, die hij in 1998 voorstelde.

Daarbij, Murayama heeft laten zien dat QCD inderdaad leidt tot zeer lichte pionen, iets dat was gesuggereerd door numerieke simulaties met supercomputers, maar technisch onmogelijk met massaloze quarks om de vraag definitief te beantwoorden.

"Ik heb altijd gehoopt te begrijpen hoe de sterke kernkracht werkt, zodat we kunnen bestaan. Ik ben erg opgewonden dat ik erin geslaagd ben om Nambu's theorie van QCD te bewijzen die al tientallen jaren zo moeilijk is. Dit is een onderdeel van mijn lange zoektocht waarom we De natuurkunde is misschien niet ver verwijderd van het beantwoorden van deze millennia-lange vraag, ' zei Muraya.

De studie kan nieuwe wegen openen voor de studiedynamiek van niet-supersymmetrische ijktheorieën.