De ondeeltjes van Howard Georgi

Elementaire deeltjes kennen we in alle soorten en maten, maar over één ding is iedereen het eens: ze hebben allemaal een vaste massa. De rustmassa van een electron is 9,109534×10^-31 kg, wat overeenkomt met een rustenergie van 511,007 keV. Er bestaan geen electronen met een rustmassa die een tikkeltje zwaarder is. Maar zoals gebruikelijk in de wetenschappen bestaan er geen heilige huisjes, en daarom is het interessant te vernemen dat in 2007 de natuurkundige Howard Georgi met een artikel kwam waarin hij sprak van het bestaan van de zogenaamde ondeeltjes (unparticles), deeltjes die alle denkbare massa’s kunnen hebben¹. Je zou het natuurlijk onder de categorie ‘leuk voor de prullebak’ kunnen scharen, maar het is goed daarbij te bedenken dat Georgi niet zomaar iemand is. Hij is één van de pioniers van het standaardmodel voor de elementaire deeltjes en natuurkrachten, het model dat drie van de vier natuurkrachten (sterke, zwakke en electromagnetische wisselwerking) onder één noemer heeft gebracht.

Georgi is inmiddels 61 jaar en nog altijd druk met filosoferen en theoretiseren. Maart 2007 stuurde hij een artikel over de ondeeltjes per mail op aan enkele collega’s en schreef daarin: “Bijgesloten hallucinatie had ik een paar dagen geleden en sindsdien heb ik als in een trance geprobeerd de details ervan uit te werken.” Zekerheidshalve voegde hij er nog aan toe: “Omdat het waarschijnlijk beschamende onzin is, zou ik het op prijs stellen als je dit een paar dagen voor jezelf zou kunnen houden.” Het artikel is niet tot de selecte kring van collega’s van Georgi beperkt gebleven, want het verscheen al gauw op de archiv.org site waar wetenschappers hun artikelen in de etalage zetten. Korte tijd later verscheen een tweede artikel van Georgi, waarin hij verder op de ondeeltjes inging. En sindsdien is er een ware hype onder natuurkundigen over de ondeeltjes. Georgi’s artikel over z’n hallucinatie is inmiddels één van de meest geciteerde artikelen van 2007! Afijn, de grote vraag is uiteraard ‘Wat zijn ondeeltjes precies?’ Daarvoor moeten we eerst ingaan op het begrip schaalinvariant. Die term kwam toevallig afgelopen vrijdag ook naar voren in R. de Jong z’n lezing over fractale kosmologie, wat logisch is omdat fractals schaalinvariant zijn: een kleinschalige structuur herhaalt zich daarin zodanig dat op grote schaal dezelfde structuur ontstaat.

Elementaire deeltjes mèt massa en natuurkrachten zijn niet schaalinvariant, dat wil zeggen dat hun eigenschappen hetzelfde blijven óók als ze meer energie krijgen. De natuurkrachten opereren ook op verschillende schalen, zoals de zwaartekracht, die op kosmologische schaal van grote invloed is, maar op atomaire schaal niets voorstelt t.o.v. de andere drie natuurkrachten. Belangrijk in dit verband is dat elementaire deeltjes zónder massa, zoals fotonen, wel schaalinvariant zijn. Als je een heelal alléén gevuld met fotonen zou hebben dan zou dat er op àlle schalen exact hetzelfde uitzien, de fractal-bloemkool in optima forma om het maar even te zeggen. Georgi bedacht dat er deeltjes mèt massa kunnen bestaan die wèl schaalinvariant zijn zoals fotonen en die afkomstig moeten zijn uit een tot dusver verborgen gebleven wereld. Gewone deeltjes zoals protonen en electronen kunnen in die verborgen wereld niet bestaan, maar ondeeltjes wel. En het mooie is dat er een theorie is die die verborgen wereld kan beschrijven, namelijk de conforme veldentheorie² van nobelprijswinnaar Kenneth Wilson, een andere grootheid uit de wereld van natuurkundigen. Het voert te ver om daar verder op in te gaan (lees: ik heb geen zin daar iets over te zeggen), maar het biedt in ieder geval een basis voor verdere bespiegelingen over die verborgen wereld én de ondeeltjes die daarin voorkomen. Volgens Georgi bestaat er een mogelijkheid dat ondeeltjes soms terechtkomen in ‘onze’ wereld, net zoals deeltjes uit hogere dimensies tevoorschijn kunnen komen. En net zoals bij die laatste categorie deeltjes is hèt instrument om de ondeeltjes te kunnen detecteren de Large Hadron Collider (LHC), waar momenteel de laatste werkzaamheden aan worden verricht. In de LHC worden protonen tegen elkaar geknald en daarbij ontstaan complete lawines van deeltjes. Volgens de wet van behoud van energie en impuls moet de totale hoeveelheid energie en impuls van de deeltjes vóór de botsing gelijk zijn aan de hoeveelheid ná de botsing. Da’s de eenvoudigste boekhoudkundige regel van het heelal. Máár als blijkt dat er toch een tekort aan energie en/of impuls wordt gevonden na de botsing, dan moet dat tekort gedragen zijn door niet rechtstreeks detecteerbare deeltjes, de ondeeltjes dus. Kortom, die LHC gaat niet alleen op zoek naar Higgsdeeltjes, niet alleen naar deeltjes uit de hogere dimensies, nee hij eh… het gaat óók op zoek naar ondeeltjes. Het krijgt ‘t nog druk. Bron: NRC-Handelsblad, 28 juni 2008. Plaatjes uit deze astroblog komen van de Why-files.

Noot:

1. Eigenlijk komt de eer van de ondeeltjes de natuurkundige F.Smarandache toe, die in 2004 met het idee aankwam. [↩]
2. Oftewel de Conformal Field Theory, CFT. [↩]