NMSSM, het meest populaire model ‘Beyond Standard Model’

Het Standaard Model (SM) is op dit moment hét model van de deeltjesfysica, het model waarmee de elementaire deeltjes en de krachten daartussen worden beschreven. Met de regelmaat van de klok komt het SM hier op de Astroblogs aan de orde en beschrijven we waarnemingen die wel of niet in overeenstemming ermee zijn. Hoewel het in de jaren zestig door Abdus Salam, Sheldon Glashow en Steven Weinberg opgestelde model als een huis staat en perfect de interacties tussen de (hierboven getoonde) elementaire deeltjes beschrijft weten we nu al dat het niet compleet is. Dat komt omdat het SM één natuurkracht niet heeft beschreven, de zwaartekracht, en omdat het geen verklaring biedt voor donkere materie en -energie. Vandaar dat natuurkundigen al decennia bezig zijn om modellen te bedenken, die wel een kwantumbeschrijving van zwaartekracht bevatten en die een verklaring voor ‘de donkere sector’ bieden. Op dit moment is het populairste BSM (‘Beyond Standard Model’) bij de natuurkundigen het Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), dat op haar beurt een uitbreiding is van het Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM).

MSSM

In het MSSM-model, oorspronkelijk opgesteld in 1981 door S. Dimopoulos en H. Georgi, draait het allemaal om supersymmetrie (SUSY): ieder elementair deeltje zou volgens dit wiskundige model een superpartner hebben, een zware variant ervan. Elementaire deeltjes worden onderscheiden in bosonen (deeltjes met een heeltallige spin), zoals fotonen en W+ en Z- deeltjes, en fermionen (deeltjes met een halftallige spin), zoals quarks en elektronen. Volgens SUSY is de superpartner van een fermion een boson en de superpartner van een boson een fermion. Dat levert een geheel nieuwe wereld van deeltjes op, zoals de squarks (superpartners van de quarks), gluino’s (superpartners van de gluonen) en sleptons (superpartners van de elektronen) – zie de afbeelding hierboven. Het MSMM-model biedt een verklaring voor het bestaan van donkere materie en wel in de vorm van het ‘lichtste superdeeltje’ (Engelse afkorting: LSP) dat er is, een SUSY-deeltje dat stabiel is (d.w.z. niet in korte tijd vervalt) en dat geen interacties met andere deeltjes heeft via de sterke en elektromagnetische wisselwerking, alleen via de gravitationele en zwakke wisselwerking. Omdat die LSP’s zwaar zijn en slecht reageren op andere deeltjes worden ze ook wel WIMP’s genoemd, weakly interacting massive particles, en de beste hypothetische kandidaat daarvoor is op dit moment het neutralino, een samengesteld deeltje dat een mix is van enkele elementaire SUSY-deeltjes (om het lekker ingewikkeld te maken). Ondanks dat het MSMM-model een verklaring biedt voor verschijnselen die niet door het SM worden verklaard, levert het zelf ook weer problemen op, met name het ?-probleem – hetgeen feitelijk neer komt op de vraag waarom het Higgs boson zo licht is. Daarom gingen theoretici verder zoeken naar verbeteringen ervan. Dat leverde het Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model op, waarvoor de natuurkundige P.Fayet al in 1975 (dus voor de komst van MSMM) de basis legde.

 NMSSM

In het NMSSM model wordt het ?-probleem opgelost door invoering van een nieuw veld en ‘superveld’ – bekende velden zoals het elektromagnetische veld zouden ook een supervariant hebben, net zoals deeltjes een superpartner. In het SM wordt maar één Higgs boson onderscheiden, in MSSM zijn dit er vijf en in NMSSM zijn dat er door toevoeging van die extra velden maar liefst zeven. De lichtste van die zeven zou werkelijk heel licht kunnen zijn, rond 1 GeV, dus als die bestaat is deze tot nu toe aan de aandacht van de deeltjesversnellers ontsnapt (het in 2012 ontdekte Higgs boson is 125,09 GeV). Met deze toevoeging van de extra Higgs bosonen erbij is het NMSSM model op dit moment het meest populaire BSM-model onder theoretisch natuurkundigen. Met de start van de Large Hadron Collider voor Run 2 bij 13 TeV botsingsenergie begin volgende maand hoopt men aanwijzingen te kunnen vinden voor SUSY en daarmee voor het NMSSM-model. Ik ben al eerder ingegaan op de verwachtingen die er zijn. In aanvulling daarop kan ik nog melden dat in een recent vakartikel de Britse natuurkundige Paul Frampton, die in Argentinië enkele jaren in de gevangenis zat voor een ongelukkig verlopen akkefietje met een Tsjechisch lingeriemodel, met een nieuwe voorspelling komt en wel van drie extra quarks, die bovenop de zes reeds ontdekte quarks zouden bestaan. Interessante ideeën allemaal!  Bron: MSSM op Wikipedia + NMSSM op Wikipedia + The Reference Frame + Symmetry Magazine.