Site pictogram Astroblogs

Waarom is de zwaartekracht zo ontzettend zwak? – deel II

Illustratie credit: http://www.physics.uq.edu.au/colloquium/wp-content/uploads/padmanabhan_web.jpg

Credit afbeelding: Discover Magazine

Ik heb eerder al aandacht besteed aan de vraag waarom de zwaartekracht zo ontzettend zwak is in vergelijking met de andere drie natuurkrachten, de sterke, elektromagnetische en zwakke wisselwerking. De vraag is en blijft boeiend en hij is ook nog eens actueel, omdat de Large Hadron Collider (LHC) – ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève – na een ‘opknapbeurt’ van twee jaar eind deze maand weer van start gaat en men hoopt dat de LHC met z’n verhoogde energie van botsende protonen (van 6 naar 13 TeV) antwoord op de vraag kan geven. In een prachtig artikel op It Starts with a Bang dat gisteren verscheen beschrijft Ethan Siegel het zogeheten Hiërarchie-probleem van de zwaartekracht en de vier mogelijke oplossingen ervoor.

Het Hiërarchie-probleem gaat over het enorme verschil in sterkte tussen de zwaartekracht en de overige drie krachten. De zwakte van de zwaartekracht kan simpel gedemonstreerd worden: neem aan kleine magneet en til daarmee een paperclip van een tafel. De magneet weerstaat de zwaartekracht van de gehele planeet aarde, die probeert de paperclip op de tafel te laten liggen. Een klein stukje magnetisch ijzer, dat met z’n magnetisme – onderdeel van de elektromagnetische wisselwerking – sterker is dan de zwaartekracht van een hele planeet (zie afbeelding hierboven). Plaats twee protonen op een meter afstand van elkaar, beiden met dezelfde positieve lading: de elektromagnetische wisselwerking (afstotend bij gelijke ladingen) tussen hun is 10^40 keer sterker dan hun onderlinge zwaartekracht (altijd aantrekkend, de lading is ‘massa’), dus ze zullen uit elkaar gaan. Ja, maak de protonen ieder 10^20 keer zo zwaar, dán overwint hun zwaartekracht het van de EM kracht. Kortom, wat is de oplossing van het Hiërarchie-probleem, hoe komt het dat de zwaartekracht zo zwak is? Hier vier mogelijke oplossingen:

  1. Er bestaan supersymmetrische deeltjes, SUSY deeltjes. Ze zijn nog nooit waargenomen, maar theoretici denken dat ze bestaan, deeltjes die allemaal een zware partner zijn van de reeds bekende en waargenomen elementaire deeltjes. Hieronder zie je links de bekende elementaire deeltjes volgens het Standaard Model (SM), rechts hun SUSY partner.SUSYHet is SUSY dat er door een zogeheten spontane symmetriebreking voor zorgt dat een proton gewoon 938 MeV massa heeft. Zonder SUSY zou ‘ie wel 10^20 keer zwaarder zijn geweest en zou z’n zwaartekracht vergelijkbaar zijn met de drie andere krachten. Volgens SUSY bestaat er niet één Higgs boson, maar zijn er wel vijf – plus vijf SUSY partners, de Higgsino’s. Eentje is met de LHC in 2012 ontdekt, van de vier andere broertjes is nog niets vernomen. De natuurkundigen hopen dat de LHC in z’n opgewaardeerde toestand in staat moet zijn minstens één SUSY deeltje te vinden, niet het Higgsino, da’s veel te zwaar, maar het gluino, de superpartner van het gluon, de krachtvoerder van de sterke wisselwerking.
  2. Dan is er de theorie dat er nog een vijfde natuurkracht bestaat, die Technicolor wordt genoemd. Er hoort weer een nieuwe, nog onbekende set aan krachtvoerende deeltjes bij. Technicolor, mmmmm…. wanneer heb ik dat meer gehoord?

    Technicolor was lange tijd een favoriete theorie bij veel natuurkundigen – in 2011 hadden ze er bij Fermilab zelfs aanwijzingen voor gezien – maar sinds de ontdekking van het Higgs boson én de metingen die uitwijzen dat het een fundamenteel scalar-deeltje van spin 0 is lijkt Technicolor uit te zijn. Het wordt anders als blijkt dat het Higgs boson niet fundamenteel is, maar bestaat uit nog kleinere deeltjes, maar daar lijkt het niet naar uit te zien.

  3. Dan is er de theorie van de gekromde extra dimensies, een theorie die opgesteld is door Lisa Randall en Raman Sundrum. Hun idee, weergegeven in onderstaande afbeelding, is dat zwaartekracht net zo sterk is als de drie andere krachten, alleen niet in ons driedimensionaal heelal. De zwaartekracht in z’n volle sterkte leeft in een ander driedimensionaal heelal, dat ten opzichte van ons heelal in de vierde ruimtedimensie (of vijfde als je de tijd erbij neemt) een zeer kleine verschuiving heeft, van slechts 10-³¹ meter.

    Credit: Cetin BAL

    De zwaartekracht zit dus verborgen in een gekromde ruimte en hetgeen ‘lekt’ naar ons eigen universum is slechts een slap aftreksel. De gekromde ruimte kan ontstaan zijn tijdens de eerste fractie van de oerknal en de energie die daarbij vrij kwam zou de brandstof voor de daarop volgende inflatieperiode kunnen hebben geleverd, dus ook daar biedt deze theorie van Randall en Sundrum een verklaring voor. Bij de theorie hoort nog een extra pakket aan deeltjes, geen SUSY deeltjes, maar zogeheten Klein-Kaluza deeltjes, deeltjes die een gevolg zijn van die gekromde ruimte. Er is lang geleden al eens een aanwijzing gevonden voor het bestaan van zo’n deeltje, eentje met een massa van 600 GeV, en met de LHC zou dat wellicht bevestigd kunnen worden.

  4. Tenslotte is er de theorie die ook gaat over extra dimensies, alleen gaat die niet over zeer kleine, gekromde dimensies, maar over grote dimensies, feitelijk het verhaal waar ik in mijn eerdere verhaal van de zwaartekracht over schreef. Was de extra dimensie bij Randall en Sundrum 10-³¹ meter, bij deze theorie gaat het om dimensies rond de 1 mm.

    Image credit: Universe-review.ca.

    Het is de theorie van het drietal Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos en Gia Dvali, die er in 1998 een artikel over publiceerden, later het ADD-artikel genoemd. Er zouden naast onze eigen drie ruimtedimensies nog twee dimensies bestaan, die tot 1 mm groot kunnen zijn. Ook hier spelen Klein-Kaluza deeltjes weer een rol. Belangrijke consequentie van deze theorie is dat de zwaartekracht onder die 1 mm in grote mate gaat afwijken van de zwaartekrachtswetten van Newton! Dat is ontzettend moeilijk te meten, vanwege het feit dat de zwaartekracht nou juist zo zwak is en op kleine schaal de andere drie natuurkrachten overheersen. Maar moeilijk of niet, natuurkundigen laten zich niet zo gemakkelijk tegenhouden, dus zijn er al experimenten gedaan, waaruit blijkt dat de wetten van Newton én de ART van Einstein standhouden tot 5-¹º micrometer. Mochten die twee grote dimensies bestaan, dan zijn ze dus kleiner dan deze grens.

OK, we wachten geduldig de start af van Run 2 van de LHC eind deze maand. Bron: It Starts with a Bang.

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten