deeltjesfysica

Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.

Kans op Higgs nog kleiner geworden

19 reacties / Wetenschap / Door / 22 juli 2013

Update: nu het Higgsdeeltje daadwerkelijk is gevonden, althans de aanwijzingen overweldigend sterk zijn, is dit artikel gedateerd. 

Twee onderzoeksgroepen aan de LHC, de enorme deeltjesversneller  op het CERN in de buurt van het Zwitserse Genève kondigden vandaag aan dat ze het gebied waar het Higgsdeeltje zich in kan schuilhouden flink hebben ingeperkt.

Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.
Net als bij Nessie worden de aanwijzingen voor het bestaan van het Higgsdeeltje steeds zwakker naarmate de metingen nauwkeuriger worden.

Wat is het Higgsdeeltje?
Het Higgsdeeltje, door sommige adepten het God-deeltje genoemd, moet verklaren waarom andere deeltjes massa hebben. Volgens hun theorie werken ze als ‘lijm’, omdat andere deeltjes door een zee van Higgsdeeltjes moeten ploegen. Ook is het het enige deeltje wat door het Standaardmodel is voorspeld maar nog steeds niet is gevonden.

De experimenten ATLAS en CMS hebben met 95% zekerheid aangetoond dat het Higgsdeeltje zich niet in het massagebied tussen 145 en 466 GeV/c2 bevindt. De leden van de twee groepen presenteerden hun nieuwe resultaten op de tweejaarse Lepton-Foton conferentie, dit jaar gehouden in Mumbai. In eerdere onderzoeken is al aangetoond dat de massa van het Higgsdeeltje, als het bestaat, zich óf tussen de 114 en 157 GeV/c2, of tussen de 173 en 185 GeV/c2 bevindt. Dat gebied is dus nu drastisch teruggesnoeid, zeg maar: meer dan gehalveerd. Alleen een smal gebied tussen 114 en 145 GeV/c2 blijft nu over.

Higgs-gelovigen bekijken het optimistisch en zeggen dat de massa van het Higgsdeeltje nu steeds nauwkeuriger bepaald kan worden. Persoonlijk zie ik het meer als aanwijzing dat het Higgsdeeltje niet bestaat en dat we op een heel andere manier over ruimtetijd moeten denken dan we tot nu toe deden.  Wat dat betreft zijn er een aantal zeer interessante theorieën, zie bijvoorbeeld hier en hier, die denk ik in de gaten moeten worden gehouden.

Deeltjesmonster van Loch Ness
Net zoals bij het monster van Loch Ness, duiken voortdurend sporen van het Higgsdeeltje op, die de nare eigenschap hebben spoorloos te verdwijnen als de metingen nauwkeuriger worden. De komende twaalf maanden worden beslissend. Bestaat het Higgsdeeltje of niet? Zo nee, dan opent dit de poort voor opwindende nieuwe natuurkunde. Voor wie ‘opwindend’ omgekeerd evenredig vindt aan ‘natuurkunde’: natuurkunde houdt zich bezig met de fundamenten van ons universum en alles wat bestaat. Een natuurkundige doorbraak heeft een ongekend zware impact op zo ongeveer alle gebieden. Denk maar aan de gevolgen van dingen als elektriciteit, kernsplitsing en kwantummechanica. Wie weet krijgen we mogelijkheden waar nog niemand aan durft te denken.

Zie ook onze eerdere artikelen: Is het Higgsdeeltje fake? en Ander deeltje kan zich vermommen als Higgs

Meer informatie:
Lepton Photon Conference

De draaiing van de Melkweg sleurt de ruimtetijd om zich heen mee.

‘Draaiing Melkweg veroorzaakt overmaat materie’

2 reacties / Wetenschap / Door / 14 juli 2011

Als materie uit energie ontstaat, ontstaat er altijd precies evenveel materie als antimaterie. Toch is er om ons heen alleen materie en vrijwel geen antimaterie. De vraag waarom, houdt de natuurkunde al sinds bijna een eeuw bezig. Maar misschien is er een onverwachte verklaring. Hebben astrologen misschien toch een beetje gelijk?

Het CP-mysterie
Materie en antimaterie zijn in vrijwel alle opzichten elkaars spiegelbeeld. In Feynmandiagrammen wordt een antimateriedeeltje dan ook voorgesteld als een materiedeeltje dat terug in de tijd reist. Helaas voor de natuurkundigen, gedragen de materie- en de antimaterieversies van kaons en B-mesons zich anders. Materie en antimaterie vallen anders uit elkaar. Deze “lading-pariteitsschending”, of CP-schending, brengt sommige fysici tot wanhoop, maar anderen zijn juist blij met deze ontdekking. Dit kan immers verklaren  waarom meer materie dan antimaterie de geboorte van het universum heeft overleefd.

Frame dragging door de Melkweg

De draaiing van de Melkweg sleurt de ruimtetijd om zich heen mee.
De draaiing van de Melkweg sleurt de ruimtetijd om zich heen mee.

Dr Mark Hadley heeft misschien de verklaring. In een artikel suggereert hij dat onderzoekers geen rekening houden met invloed die de de draaiing van onze melkweg heeft op het uiteenvallen van kosmische deeltjes. Hadley’s theorie is testbaar. Er kan bij bestaande meetresultaten bij de deeltjesdetectoren van CERN en BaBar worden gekeken of de resultaten inderdaad een afwijking vertonen in de richting waarin de Melkweg roteert. Weliswaar is de invloed van de zwaartekracht van de aarde of de zon op ons veel groter dan die van de Melkweg als geheel, maar Hadley gelooft dat wat hier telt, een effect is dat wordt opgewekt door een draaiend zwaar lichaam: frame dragging. Een snel tollend zwaar voorwerp ‘sleept’ ruimtetijd om zich heen mee. De zwaartekrachtssatelliet Gravity Probe B heeft dit zogeheten Lense-Thirring effect, een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie, pas kortgeleden aangetoond.

De draaiing van onze Melkweg vervormt onze lokale ruimte ongeveer een miljoen maal sterker dan de nauwelijks meetbare vervorming door de draaiing van de aarde. Het voornaamste verschil tussen de materie- en antimaterieversie van het B-meson is de variatie in de tijd dat de deeltjes uiteen vallen. Als alle bekende waarnemingen van deeltjes en antideeltjes bij elkaar worden opgeteld, blijkt er toch exact dezelfde snelheid van uiteenvallen uit te komen. Hadley denkt dat frame dragging deze effecten veroorzaakt. Als de aarde op het moment van het experiment tegen de draaiing van de Melkweg in beweegt tijdens de meting, heeft dat andere effecten dan als de aarde met het frame dragging effect meebeweegt. De tijd voor de deeltjes lijkt dan, afhankelijk van of het om materie of antimaterie gaat, langzamer of juist sneller te gaan, waardoor ze voor ons langzamer of juist sneller uiteen lijken te vallen.

Een heel wilde speculatie: misschien dat de snel draaiende zwarte gaten in het centrum van melkwegstelsels de ruimte om zich heen zo hebben verstoord, dat ze hebben geleid tot een overmaat aan materie om zich heen.

Eindelijk een testbare theorie
Het mooie aan deze theorie is dat deze vrij eenvoudig is te testen. De tijdstippen en geografische locaties van de labs waar de deeltjes zijn gemeten zijn exact bekend, dus ook hun beweging ten opzichte van de Melkweg. Klopt deze theorie, dan kan de enorme hoeveelheid data die al bekend is, opnieuw worden onderzocht.  Er kan dan worden gekeken of de beweging van het lab ten opzichte van de rotatie van de Melkweg  exact het voorspelde effect heeft.

Frame dragging van  het hele heelal?
En dan is er nog een mogelijkheid. Al eerder beschreven we dat er in ieder geval op het noordelijk halfrond een overmaat aan melkwegstelsels bestaat die een bepaalde richting op tollen. Het zou dus wel eens zo kunnen zijn dat niet alleen ons melkwegstelsel, maar het hele heelal draait. Dat heeft natuurlijk een onvoorstelbaar veel groter frame dragging effect tot gevolg. Het is weer wennen. Eindelijk een natuurkundetheorie die weer heerlijk ouderwets te testen is zonder dat je een deeltjesversneller van hier tot de Kleine Magellaanse Wolk nodig hebt. De snaaraanbidders kunnen dit in hun zak steken.

Ook zullen astrologen in hun vuistje lachen als deze theorie inderdaad overeind blijft. Er is dan namelijk een kosmisch effect aangetoond op alledaagse natuurkunde (al gaan de woeste astrologische theorieën, waarin aangenomen wordt dat de stand van de sterren invloed heeft op ons karakter en onze levensloop, extreem en onverdedigbaar ver).

Maar toch.

Bronnen
1. M.J. Hadley, The asymmetric Kerr metric as a source of CP violation, Europhysics Letters, 95 (2011) 21003 doi:10.1209/0295-5075/95/21003
2. M.J. Hadley, The asymmetric Kerr metric as a source of CP violation, (draft) Arxiv.org (2011)
3. University of Warwick (2011)

Verklaren bizarre unparticles de vreemde metingen in het Tevatron?

‘Unparticle verklaart bizarre Tevatron-metingen’

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 20 mei 2011

Elastische “unparticles” zouden een glimp van een mysterieus signaal in de deeltjesversneller Tevatron een jaar geleden kunnen verklaren. Dit zou een ​​van de grootste mysteries in de natuurkunde op kunnen lossen: waarom het heelal alleen uit materie bestaat en niet uit evenveel antimaterie.

Waarom is er meer materie dan antimaterie?
Van materie en antimaterie wordt gedacht dat deze in gelijke hoeveelheden zijn ontstaan na de oerknal. Iets heeft er voor gezorgd dat materie veel meer voorkomt dan antimaterie, althans in ons deel van het heelal.

Een mogelijke verklaring is dat sommige fysische processen de vorming van materie bevorderen. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica, bijvoorbeeld, moeten zogeheten B-mesonen constant schakelen, of mixen, tussen hun materie- en antimaterie vormen. Het is iets gemakkelijker voor een anti-B meson om een normaal B-meson te worden dan omgekeerd, waardoor een onbalans ontstaat. Deze voorkeur voor materie wordt overgedragen aan de deeltjes geproduceerd wanneer B-mesonen vervallen, maar zijn niet groot genoeg om de waargenomen materie-antimaterie asymmetrie te verklaren.

Eerder hebben diverse teams een glimp van asymmetrie opgevangen die zelfs groter dan het standaard model voorspelt. In mei 2010, meldden onderzoekers van het Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, dat 1% meer B-mesonen dan anti-B mesonen werden geproduceerd in hun deeltjesdetector, de Tevatron (1). Dit is 40 keer groter dan de onbalans voorspeld door het standaard model.

Unparticles: bizarre fractaldeeltjes

Verklaren bizarre unparticles de vreemde metingen in het Tevatron?
Verklaren bizarre unparticles de vreemde metingen in het Tevatron?

Twee aparte groepen stellen nu dat een verklaring voor deze grotere asymmetrie ligt in het unparticle, een hypothetisch object, in 2007 bedacht door Howard Georgi, theoreticus van de Harvard Universiteit. Georgi suggereerde dat schaalinvariantie – die je ziet in fractal-achtige patronen die onveranderd blijven, zelfs wanneer je in-en uitzoomt op verschillende schalen (denk aan de vertakking van bomen en de gekartelde randen van kusten) – ook kan gelden voor afzonderlijke deeltjes. De lading en spin van unparticles staan vast, maar, tegen de intuïtie in, hun massa hangt af van de schaal waarop het deeltje wordt waargenomen.

Dergelijke unparticles kunnen een rol kunnen spelen in een populaire voorgestelde uitbreiding van het standaard model: supersymmetrie. Xiao-Gang Hij en zijn collega’s van Shanghai Jiao Tong University in China berekenen dat unparticles ook B-mesonen beïnvloeden. Dat komt omdat de quantummechanica dicteert dat als ze bestaan, “virtuele” versies ook moeten bestaan. Tijdelijke unparticles zouden in een voortdurend proces ontstaan en wroden vernietigd en dit kan in bepaalde gevallen van invloed zijn  op het gedrag van B-mesonen. En dus verklaren waarom er zo’n sterke symmetriebreking optreedt.  Deze invloed verschillen tussen de B-meson en zijn antimaterie tegenhanger, het zou versterkt de reeds ongelijke mengen voorspeld door het standaard model genoeg zijn om rekening voor de mysterieuze Tevatron-signaal (2).

De elastische massa van de unparticles betekent dat het denkbaar is dat detectie in de Tevatron tot nu toe niet is voorgekomen. Een aparte groep onder leiding van Li is tot een vergelijkbare conclusie gekomen (3). Bruce Hoeneisen, een lid van het Fermilab team dat de B-meson onbalans zag in 2010, zegt dat andere opties, met inbegrip van nieuwe soorten quarks momenteel niet opgenomen in het standaard model, kan de Tevatron-signaal uit te leggen. Hij waarschuwt ook dat de Tevatron het vinden van de bevestiging nodig heeft.

“Ik denk dat dit de geloofwaardigheid van de unparticle-theorie doet stijgen”, zegt Run-Hui Li van Yonsei Universiteit in Seoul, Zuid-Korea, de leider van een van de twee teams die de link voorstellen.

Bronnen

1. V.M. Abazov et al., Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry, ArXiv
2. Bo Ren, Xiao-Gang He en Pei-Chu Xie, Large dimuon asymmetry in B-anti B-meson mixing from unparticle induced Gamma 12,s, Phycics Review Letters B
3. Chuan-Hung Chen, C. S. Kim and Run-Hui Li, Charge and CP asymmetries of Bq meson in unparticle physics, ArXiv

Een theoretisch berekende botsing waarbij een Higgsdeeltje vrijkomt. In werkelijkheid is er voorzover bekend nog geen spoor van het deeltje gevonden.

‘Ander deeltje kan zich vermommen als Higgs’

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 14 mei 2011

Nieuwe deeltjes die het lang gezochte Higgsboson nabootsen kunnen natuurkundigen foppen. Die zouden vervolgens jaren kunnen besteden aan het proberen te bevestigen of te weerleggen van het bestaan van een fopdeeltje, waarschuwt een nieuwe studie.

De jacht op het Higgs
Het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt dat een zogeheten Higgs boson, ook wel bombastisch God-deeltje gedoopt, andere deeltjes massa geeft. Volgens anderen bestaat het goddelijke van het deeltje voornamelijk uit de metafysische aard er van. De Large Hadron Collider (LHC) van CERN in de buurt van Genève, Zwitserland, werd onder andere gebouwd in de hoop het Higgsdeeltje te bestuderen en op te sporen.

Volgens de theorie moet het Higgsboson opduiken in de overblijfselen van proton-proton botsingen in de LHC. Hoewel het Higgsdeeltje niet direct zal worden gedetecteerd, moet het snel vervallen in meer vertrouwde deeltjes, zoals paren fotonen of de zware Z-bosonen (de dragers van de zwakke kernkracht). Het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt vrij nauwkeurig in welke deeltjes het Higgsboson uiteenvalt en wat hun massa-aandeel is. Kunnen we de vervalproducten precies in de voorspelde verhoudingen vinden, dan kunnen we aannemen dat we eindelijk het Higgsboson hebben gevonden.

“Fopdeeltje neemt Higgs-eigenschappen over”

Een theoretisch berekende botsing waarbij een Higgsdeeltje vrijkomt. In werkelijkheid is er voorzover bekend nog geen spoor van het deeltje gevonden.
Een theoretisch berekende botsing waarbij een Higgsdeeltje vrijkomt. In werkelijkheid is er voorzover bekend nog geen spoor van het deeltje gevonden.

Sommige andere onontdekte deeltjes kunnen echter in hetzelfde patroon vervallen, stelt Patrick Fox van Fermilab in Batavia, Illinois, en collega’s, in een artikel op ArXiv (1). “Dit kan opmerkelijk makkelijk optreden,” zegt teamlid Neal Weiner van de New York University. Mimicry als zodanig kan ontstaan door het mengten van de kwantumtoestanden van de deeltjes. Mengen kan optreden in een mengsel van twee verschillende soorten deeltjes, en is onder meer bekend tussen de soorten quarks en tussen verschillende soorten neutrino’s. Als er een nog onontdekt deeltje zich mengt met het Higgs boson, zal het enkele kenmerken van het Higgsdeeltje oppikken.

De vermomming zou bijna perfect zijn als het nieuwe deeltje de drie krachten van het standaardmodel niet voelt. Dan zou het geen intrinsieke neiging hebben om te vervallen in standaardmodel deeltjes. Zelfs een lichte Higgs-vermenging zou het nieuwe deeltje dan precies zo laten vervallen als het Higgs, met dus precies dezelfde vervalproducten. Ian Lage van de Argonne National Laboratory in DuPage County, Illinois, die geen lid was van het team, is het ermee eens dat het mengen kan leiden tot overtuigende fopdeeltjes. “De natuur kan ons voor verrassingen stellen,” zegt hij.

Hoewel een dergelijk fopdeeltje op zijn minst zou betekenen dat het Higgs bestaat – een triomf op zichzelf voor de Higgs-adepten – zouden natuurkundigen niet over gedetailleerdere informatie kunnen beschikken over het lang gezochte deeltje. In het bijzonder zou de massa van het fopdeeltje zeer verschillen van die van het echte deeltje.

Fopdeeltje betekent nieuw, onbekend deeltje dus nieuwe natuurkunde
Het zou aan de andere kant een spannende ontdekking zijn, omdat niet zomaar elk nieuw deeltje het Higgsdeeltje kan nabootsen. Om dit te doen, moet het net als het Higgsboson zelf, een spin van nul hebben. In tegenstelling tot alle andere deeltjes in het Standaardmodel. Dergelijke spin-nul deeltjes ontstaan ​​in theorieën, zoals technicolor,  die extra krachten voorbij die in het Standaardmodel opnemen. Sommige natuurkundigen denken dat een nieuwe kracht een verscheidenheid aan anomalieën die onlangs in de Tevatron versneller op Fermilab zijn waargenomen, kan verklaren.

Als een deeltje met Higgs-achtig verval wordt gevonden op het LHC, kan het jaren duren om uit te sluiten dat het hier om een fopdeeltje gaat. De beste vooruitzichten om deze mogelijkheid uit te sluiten zijn er na een geplande upgrade van de LHC in 2014,  wanneer hogere-energetische botsingen moet uitwijzen of het nieuwe deeltje wisselwerking vertoont met de dragers van de zwakke kracht – een eigenschap die wordt verwacht voor het Higgs boson, maar niet voor fopdeeltjes.

Bronnen
1. Patrick J. Fox, David Tucker-Smith en Neal Weiner, Higgs friends and counterfeits, Arxiv
2. Beware, Higgs-impostors at the LHC, NewScientist.com

De vijver waarin het Higgsdeeltje zich kan schuilhouden wordt steeds kleiner.

Is het Higgs-deeltje fake?

6 reacties / Wetenschap / Door / 6 mei 2011

Het Higgsdeeltje, door de vele aanhangers ook wel God-particle genoemd, is, zeggen ze, DE oplossing voor het vervelende massaprobleem. Het ziet er echter steeds somberder uit voor de bedenkers van het Higgsdeeltje, die al aan het ruziën waren over wie recht heeft op de Nobelprijs. Bestaat het Higgsdeeltje eigenlijk wel?

Higgsmechanisme en Higgsdeeltje
Bij elementaire deeltjes zoals quarks en elektronen wordt een bepaalde massa waargenomen. Nu is er alleen een probleem. Er is binnen het succesvolle Standaardmodel geen goede natuurkundige manier om te verklaren waarom de deeltjes massa hebben en hoe groot die massa is. Of om te voorkomen dat de massa van de deeltjes naar bijna oneindig gaat. Dus bedachten deeltjesfysici het zogeheten Higgsmechanisme. Alle deeltjes met gemeten massa reageren met het Higgsveld en de bijbehorende Higgsdeeltjes. Als gevolg hiervan lijkt ruimtetijd voor deeltjes met massa op stroop. Higgsdeeltjes zelf reageren niet met elkaar (anders zou de massa van ruimtetijd zelf extreem hoog worden en het heelal in elkaar storten).

Het Higgsveld kent een aantal merkwaardige eigenschappen. Zo heeft het geen richting. Toch moet het iets te maken hebben met Einsteins algemene relativiteitstheorie, dus iets doen met de structuur van ruimtetijd. Zou ruimtetijd uit Higgsdeeltjes bestaan? Niet volgens het Standaardmodel in ieder geval, dat ook om Higgsdeeltjes te beschrijven uitgaat van de “huis-tuin-en-keuken” algemene relativiteitstheorie.

Oorverdovende stilte

De vijver waarin het Higgsdeeltje zich kan schuilhouden wordt steeds kleiner.
De vijver waarin het Higgsdeeltje zich kan schuilhouden wordt steeds kleiner.

Als het Higgsdeeltje zo alomtegenwoordig is, moet het op een gegeven moment opduiken in zware deeltjesdetectors, zou je zeggen. Zowel de Large Hadron Collider als de Amerikaanse tegenhanger Tevatron rammen met ongekende energie (anti-) protonen op elkaar. De filosofie is simpel: voer de energie maar hoog genoeg op, zodat op een gegeven moment er voldoende vrije energie is om Higgsdeeltjes uit het niets tevoorschijn te laten springen. Op hetzelfde principe is het maken van antimaterie gebaseerd.

In eerdere experimenten met de voorganger van de LHC, de Large Elektron Positron Collider (die in dezelfde tunnel was gehuisvest), is een massa-ondergrens van 114 GeV/c2 (te vergelijken met de massa van een ijzeratoom) vastgesteld. Indirecte metingen geven een bovengrens van 195 GeV/c2.  Latere metingen door het Tevatron hebben nog een stuk onzekerheid verwijderd: de bovengrens is nu 157 GeV/c2. De vijver waarin het Higgsdeeltje zich schuil kan houden is dus nu ingekrompen tot een gebiedje van ongeveer veertig GeV/c2 breed.

Zou het Higgsdeeltje wel bestaan?
Pogingen om het Higgsdeeltje te vinden zijn tot nu toe niet geslaagd. Merkwaardig, aangezien de maximale energie die de LHC en de Tevatron aan een deeltje kunnen geven, rond de zevenduizend GeV, veel groter is dan de massa-energie van het Higgsdeeltje. Steeds meer natuurkundigen denken daarom dat het Higgsdeeltje helemaal niet bestaat en dat er een heel ander mechanisme ten grondslag ligt aan het ontstaan van massa.

Geen Higgs betekent explosie aan nieuwe ontdekkingen en technieken
Dat is goed nieuws. Klopt het Standaardmodel namelijk, dan verwachten natuurkundigen een “deeltjeswoestijn” waarbij pas bij de Planckmassa, een duizelingwekkende honderd biljard maal meer massa dan wat de LHC kan produceren, weer interessante dingen gebeuren.Oersaai dus.

Klopt het Standaardmodel niet bij hoge energie, dan zou dit betekenen dat ons compleet nieuwe natuurkunde te wachten staat. Eerdere natuurkundige revoluties leverden ons dingen als elektriciteit, kernenergie, lasers en supergeleiders op. Als we zicht krijgen op natuurkunde die het standaardmodel te boven gaat, dan kunnen we daarmee waarschijnlijk dingen doen die we ons nu nog niet voor kunnen stellen. Misschien kunnen we naar andere heelallen reizen. Ongekende energiebronnen ontdekken. Sneller dan het licht reizen. Spannende tijden.

Animatie van een hyperkubus, een vierdimensionale kubus.

‘Heelal gaat over naar vierde dimensie’

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 21 april 2011

Volgens een omstreden theorie van Dejan Stojkovic had ons heelal vlak na de Big Bang meer weg van een lijn dan van een ruimte zoals wij die nu kennen. Stojkovic en collega Jonas Mureika hebben nu een test bedacht om aan te tonen of hun theorie klopt of niet:  de afwezigheid van zwaartekrachtsgolven uit het vroege heelal. En er is nog meer. Misschien dat grote stukken heelal al vierdimensionaal zijn geworden. Zou dit die merkwaardige kosmische lege ruimtes tussen de melkwegstelsels en de versnelde uitzetting van het heelal verklaren?

Animatie van een hyperkubus, een vierdimensionale kubus.
Animatie van een hyperkubus, een vierdimensionale kubus.

Vorming tweede en derde dimensie in plaats van inflatie
Stojkovic’ theorie, waar we al een eerder artikel aan hebben gewijd, komt er op neer dat het heelal vlak na de oerknal ééndimensionaal was. Toen het heelal verder afkoelde, ontstonden de tweede en uiteindelijk de derde dimensie. Het aannemen van een tijdperk van extreemsnelle inflatie, op dit moment het grote paradigma in de kosmologie, is hiermee niet meer nodig, stelt Stojkovic. Wat er gebeurde was domweg het ontstaan van de tweede respectievelijk derde dimensie waardoor het aantal bewegingsmogelijkheden (dat we waarnemen als ruimte) explosief groeide. Dit zou betekenen, dat de kosmologie die we nu kennen sterk vereenvoudigd zou worden. Het is niet meer nodig om een mythische inflatoire kracht, uiteenvallend vals vacuüm en andere woeste bedenksels te hanteren.

Algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica komen in harmonie
De speciale relativiteit kloppend krijgen met kwantummechanica lukt nog wel, denk aan de relativistische Dirac-vergelijking, maar bij de algemene relativiteitstheorie is dat hopeloos. Als het aantal dimensies op de allerkleinste schaal (in de buurt van de extreem korte Plancklengte, vele ordes van grootte kleiner dan een proton) wordt teruggebracht, verdwijnen de wiskundige nachtmerries, die alle pogingen om kwantummechanica met de algemene relativiteitstheorie in overeenstemming te brengen, frustreren.

Massa Higgsdeeltje hoeft niet aangepast te worden
We weten nog steeds niet waar elementaire deeltjes als elektronen en quarks hun massa vandaan halen. Het Standaardmodel introduceert hiervoor het zogeheten Higgsdeeltje, dat aan deeltjes waar we massa van waarnemen, kleeft als een soort stroop en zo traag en zwaar maakt. Alle pogingen om dit Higgsdeeltje te vinden zijn tot nu toe mislukt. Met dit Higgsdeeltje is er nog een probleem: bestaande theorieën voorspellen een veel te hoge massa, wat in strijd zou zijn met het standaardmodel. Dit moet dus kunstmatig  aangepast worden. Dat hoeft niet meer in Stojkovic’ theorie.

Extra dimensie verklaart versnelde uitzetting
Het meest hallucinerende gevolg van Stojkovic’s theorie is wel het ontstaan van een extra dimensie in het hier en nu. Ongeveer tien jaar geleden werd een ontdekking gedaan die de bekende kosmologie behoorlijk overhoop gooide. Het heelal zet steeds sneller uit. Zelfs Einsteins verfoeide kosmologische constante, ooit door hem de grootste vergissing van zijn leven genoemd, werd weer van stal gehaald om dit te verklaren. In kosmologische modellen wordt uitgegaan van zogeheten donkere energie die dit op zijn geweten heeft. Onzin, stelt Stojkovic. Steeds grotere delen van het heelal gaan over naar de vierde dimensie, wat wij waarnemen als uitzetting. Wanneer zijn wij aan de beurt?

Experimentele bewijzen?
Waarnemingen aan extreem energierijke kosmische straling lijkt te wijzen op het reduceren van het aantal dimensies bij energieën, hoger dan een tera-elektronvolt. Deze energieschaal is ook waarneembaar bij botsingen in de enorme Large Hadron Collider van het CERN onder het meer van Genève. Klopt Stojkovic’ theorie, dan merken we dat dus de komende jaren, als er meer hoge-energie botsingen zijn geregistreerd. En kunnen er heel wat natuurkundeboekjes herschreven worden…

Bronnen
ScienceDaily
Physics Review Letters
Arxiv.org

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

‘Antimaterie oefent antizwaartekracht uit’

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 19 april 2011

Materie kent een spiegelbeeldvorm:  antimaterie. Tot nu toe werd gedacht dat er maar één soort zwaartekracht bestaat die altijd aantrekt. Volgens een nieuwe theorie van de Italiaan Villata oefent antimaterie een afstotende kracht uit op materie. Heeft de man gelijk en verklaart dit de uitzetting van het heelal? Of maakt hij een enorme denkfout?

Zware massa en trage massa
Massa heeft twee eigenschappen die op mysterieuze wijze met elkaar samenhangen: traagheid en zwaarte. Het kost tien keer zoveel energie om een tien keer zo zware massa in beweging te krijgen (de traagheid). Een tien keer zo zware massa oefent ook een tien keer zo sterke kracht uit op bijvoorbeeld een weegschaal (de zwaarte). Einstein maakte gebruik van deze eigenschap om het equivalentieprincipe te formuleren: trage massa=zware massa. Hieruit volgen weer de speciale en de algemene relativiteitstheorie.

Materie en antimaterie
Antimaterie werd ooit door kwantummechanica-grootheid Paul Dirac voorspeld als gaten in de Diraczee. Hoewel de Diraczee als concept nu minder populair geworden is, bleken het positron en andere antideeltje die hij voorspelde werkelijk te bestaan. In feite heeft elke deeltje zijn antideeltje en ook een positieve energie. Dus als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat een felle ontploffing waarbij heel veel fotonen vrijkomen, niet een niets.

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?
Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

“Antimaterie veroorzaakt uitzetting heelal”
Volgens het standaardmodel bestaat er een belangrijke symmetrie in de natuur: CPT-symmetrie. Dat houdt in dat als je de lading omkeert, de pariteit omkeert (m.a.w. spiegelt) en de tijd omkeert, er antideeltjes ontstaan. Dit gebeurt ook met antimaterie: deze gedraagt zich als materie die terug in de tijd reist.
In zijn artikel stelt Villata dat als de CPT-pariteit wordt gecombineerd met de algemene relativiteitstheorie, hieruit logisch volgt dat de richting van de zwaartekracht wordt omgedraaid als materie wordt veranderd in antimaterie. Met andere woorden: antimaterie trekt andere antimaterie aan (zoals materie andere materie aantrekt), maar materie en antimaterie stoten elkaar af. Villata maakt hiervan gebruik om de uitzetting van het heelal te verklaren en zo komaf te maken met de beruchte donkere energie.
In wat wij nu waarnemen als de lege zeepbelachtige ruimtes tussen melkwegclusters zouden zich grote ijle wolken antimaterie bevinden die de materie in de melkwegstelsels afstoten.

Waarom Villata vermoedelijk geen gelijk heeft
Villata’s theorie laat toe dat de voor natuurkundigen heilige wet van behoud van energie wordt geschonden en wel als volgt. Stel je hebt een hoeveelheid materie die als een schil om een bolvormige, gelijke hoeveelheid antimaterie heen zit. Per saldo moet volgens Villata het zwaartekrachtsveld hiervan nul zijn: de negatieve zwaartekracht van de antimaterie heft precies de positieve zwaartekracht van de materie op (een variant op de schilstelling). Stel, materie en antimaterie vernietigen elkaar vervolgens. Wat ontstaat is een positief zwaartekrachtsveld (volgens Einstein oefent ook energie zwaartekracht uit). Uit het niets.

Dit betekent een energieverlies voor deeltjes die zich plotseling in dit zwaartekrachtsveld bevinden (het kost immers energie om aan zwaartekracht te ontsnappen). Villata kan hier mogelijk tegenoverstellen dat het volgens zijn theorie energie kost om materie en antimaterie op elkaar te persen (zoals in de bol met schil gebeurt), maar dit maakt de zaak nog erger. Dit is immers positieve energie. Mocht uit het komende AEGIS experiment op het CERN, waarbij de zwaartekrachtseffecten op antimaterie worden gemeten, blijken dat Villata gelijk heeft en dat zwaartekracht inderdaad afstotend werkt op antimaterie, dan staat een groot deel van de natuurkunde op losse schroeven.

Bronnen
Physorg
Arxiv
IOPScience

De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?

Deeltjessatelliet gaat op jacht naar antimaterie en strange matter

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 16 april 2011

Bestaat de rest van het heelal wel uit protonen, neutronen en elektronen, het spul waar de aarde en wijzelf uit bestaan? Dat is verre van zeker, volgens veel natuurkundigen. NASA lanceert nu de satelliet Alpha Magnetic Spectrometer om op zoek te gaan naar zaken als ‘strange’ materie, antimaterie en donkere materie.

De AMS kende een droevige geschiedenis. Het apparaat zou aan boord van de Space Shuttle worden gelanceerd en op het internationale ruimtestation ISS worden geïnstalleerd om daar op jacht te gaan naar deeltjes. Helaas werd na de ramp met het ruimteveer Columbia in 2003 deze vlucht afgelast, waardoor  de satelliet enkele jaren in een werkplaats dreigde te verstoffen. Nu hebben enkele ontdekkingen en recente theoretische ontwikkelingen alsnog goede redenen gegeven de satelliet alsnog te lanceren.

De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?
De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?

Antimaterie
Materie kent een spiegelbeeldvariant: antimaterie. Als materie en antimaterie elkaar raken, vernietigen ze elkaar in een felle explosie. Een gram antimaterie staat gelijk aaan de explosieve kracht van de Hiroshima-bom.Volgens de gangbare theorieën is alle antimaterie vernietigd vlak na de Big Bang en bleef er een klein restje materie over waaruit zich sterren en planeten zoals de aarde vormden.
Volgens sommigen zijn er ergens in het heelal nog grote hoeveelheden antimaterie. In het zonnestelsel in ieder geval gelukkig niet, anders hadden we geregeld een grote explosie waargenomen. De AMS gaat op zoek naar deeltjes antihelium. Worden die waargenomen, dan weten we dat er ergens out there grote hoeveelheden antimaterie moeten bestaan. Ongetwijfeld kan daar weer een leuk doomsday wapen van gebrouwen worden. Met een lucifersdoosje een complete stad kunnen opblazen, is voor de gemiddelde generaal waarschijnlijk een onweerstaanbaar vooruitzicht.

Strange matter
Protonen en neutronen, de kerndeeltjes waar wij (met elektronen) uit bestaan, zijn uit twee soorten quarks opgebouwd: up en down (een positief proton is met twee upquarks en een downquark vrolijker dan een neutraal neutron, dat uit twee downquarks en een upquark bestaat). Er zijn echter (voor zover we weten) zes quarks, naast de up- en downquark zijn dat de veel zwaardere ‘strange’  en ‘charm’ quarks, de tweede generatie en de derde generatie, de extreem zware top quark en bottom quark. Deze zware quarks vallen zeer snel uit elkaar. En, uiteraard, heeft elke quark ook zijn antiquark.

Volgens een theorie van de Deen Jes Madsen van de Aarhus Universiteit in Denemarken bestaat er ‘strange’ materie: druppels materie dus waar ‘strange’ quarks in voorkomen en is deze stabieler dan onze standaard materie.  Klopt dit, dan zouden we uiteindelijk op ‘vreemde’ wijze eindigen en bestaan bijvoorbeeld neutronensterren voornamelijk uit strange materie. Inderdaad werden door een prototype deeltjesdetector aan boord van de Space Shuttle in 1998 vreemde deeltjes waargenomen met de lading van een heliumkern (twee eenheden positief dus) maar de massa van een zuurstofkern of ijzerkern. Precies de deeltjeseigenschappen die strange matter ook zou vertonen, stelt Jensen. Strange matter kan ook de aanwezigheid van donkere materie verklaren, vermoedt hij.

Neutralino’s
Uit de vruchtbare geest van theoretisch natuurkundigen is ook een andere kandidaat voor donkere materie ontsproten: het neutralino. Neutralino’s worden voorspeld door supersymmetrie (en dus snaartheorie) en zijn (als ze bestaan) Majoranadeeltjes: deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn.  Het gevolg: als twee neutralino’s elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar, waarbij een elektron en een positron (antimaterie-elektron) vrijkomen.   Als deze twee elkaar vernietigen ontstaat gammastraling met een karakteristieke golflengte. De deeltjesdetector PAMELA, aan boord van een Russische satelliet, vond hier reeds aanwijzingen voor. Niet één positron op de tienduizend elektronen in kosmische straling, maar een op de honderd. Er moet dus een verborgen positronbron zijn. Dit zouden neutralino’s kunnen zijn, maar merkwaardig genoeg bleken antiprotonen wel uiterst zeldzaam (1:10.000), wat hiermee in strijd is. Ook hiernaar moet de deeltjesdetector op jacht gaan.

Het kan zijn dat PAMELA de antiprotonen niet detecteerde omdat ze teveel energie hebben. Een sterkere magneet (zoals aan boord van AMS) laat geladen deeltjes kleinere cirkels draaien, waardoor ook energierijke deeltjes kunnen worden gedetecteerd. Helaas zijn de plannen om een supergeleidende, met helium gekoelde magneet aan boord te krijgen niet gelukt. Het heliumverbruik bleek door warmtelekken te groot. Een langere missieduur moet dit nu compenseren. Mogelijk kunnen zo de eventuelee snelle antiprotonen – of andere, nog vreemdere deeltjes – alsnog worden gedetecteerd en weten we eindelijk waar donkere materie uit bestaat.

Bron
New Scientist
AMS-02

Schematische voorstelling van het enorme xenonvat onder de Gran Sasso.

Donkere materie niet aangetoond in gevoelige detector

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 15 april 2011

Helaas. Honderd dagen lang meten in een vat met meer dan zestig kilogram vloeibaar xenon, een edelgas, diep begraven onder een Italiaanse berg heeft geen spoor opgeleverd van WIMP’s, de weakly interacting massive particles die er volgens donkere-materie modellen moeten zijn. Wat is er dan aan de hand?

Schematische voorstelling van het enorme xenonvat onder de Gran Sasso.
Schematische voorstelling van het enorme watervat onder de Gran Sasso dat de kosmische straling wegvangt. Hierbinnen bevindt zich het veel kleinere xenonvat.

Donkere materie is de meest logische verklaring voor het feit dat de buitenranden van melkwegstelsels veel sneller draaien dan volgens Newton of Einstein kan. Een ijle wolk donkere materie zou wel de materie in de verre spiralen aantrekken, maar niet die in het centrum waardoor ver weg gelegen sterren sneller draaien.

Als donkere materie bestaat, dan moet deze veel vreemder van aard zijn dan tot nu toe gedacht. Anders waren de deeltjes wel opgedoken tijdens het detectie-experiment, veertienhonderd meter onder de granietberg Gran Sasso, waar onder andere het Nederlandse instituut NIKHEF aan meewerkt. Naar nu blijkt, zijn slechts drie soorten deeltjes aangetroffen die alle drie overeenkomen met bekende deeltjes. Een stevige teleurstelling voor donkere-materie aficionado’s, maar misschien gaat er achter deze teleurstelling nog veel interessantere natuurkunde schuil. Iets moet namelijk zorgen voor de merkwaardige zwaartekrachtseffecten. Kloppen onze zwaartekrachtstheorieën niet op zeer grote schaal, of is er een andere vorm van donkere materie? Merkwaardig is namelijk dat elliptische melkwegstelsels, die het product zijn van grote botsingen, nauwelijks donkere materie blijken te bevatten.

Een mogelijkheid die overblijft is dat de donkere materie bestaat uit zogenaamde steriele neutrino’s. Neutrino’s kunnen nog via de zwakke kernkracht reageren met andere materie – de reden dat we ze waar kunnen nemen, zij het zeer zwak. Steriele neutrino’s kunnen – als ze bestaan – alleen via de zwaartekracht reageren op andere materie. Ook kan donkere materie bestaan uit een heel andere klasse deeltjes (met een andere energieverdeling) dan waar we nu aan denken. Het is ook mogelijk dat donkere materie iets te maken heeft met bolvormige sterhopen (bijvoorbeeld via een gemeenschappelijke oorzaak). Die hebben in grote lijnen dezelfde verdeling als donkere materie (al bewegen de sterren in bolvormige sterhopen zich niet abnormaal snel). Tot slot kan het natuurlijk zo zijn dat de WIMP’s domweg minder goed reageren met andere materie dan voorspeld. De modellen bieden nog de nodige rek.

Bronnen
New Scientist
Arxiv

Een raadselachtige, onverwachte piek zet natuurkundigen op het spoor van een nieuwe natuurkracht.

Aanwijzingen voor technicolor natuurkracht toch niet correct

2 reacties / Wetenschap / Door / 14 juni 2011

Het Higgsdeeltje bestaat niet. In plaats van het Higgsdeeltje is er een hele familie van deeltjes die de zogenaamde technicolor kracht overbrengen, geloven theoretici op grond van een merkwaardige vondst in het Tevatron (dat nu op zijn nadagen loopt). Maar klopt die waarneming wel?

Er is nog steeds geen Higgs event gevonden. Wel een heel ander deeltje, althans: vermoedelijk.
Er is nog steeds geen Higgs event gevonden. Wel een heel ander deeltje, althans: vermoedelijk.

Standaardmodel verklaart geen massa
De hele moderne natuurkunde berust op de combinatie van twee theorieën: het Standaardmodel, een verzamelbegrip voor drie (of twee) kwantumtheorieën en Einsteins algemene relativiteitstheorie. Eén theorie uit het Standaardmodel, kwantumelektrodynamica, is met dertien decimalen de nauwkeurigste natuurkundetheorie ooit. Kwantumchromodynamica, de theorie die de sterke kernkracht beschrijft, is een stuk minder nauwkeurig en kernfysica levert daarom geregeld verrassingen op. Het Standaardmodel kent echter één gevoelig nadeel. De massa’s van deeltjes worden niet voorspeld, maar moeten door middel van experimenten worden bepaald. Er kan niet worden verklaard waarom bijvoorbeeld elektronen, quarks en neutrino’s de massa hebben die in experimenten worden gemeten. Of überhaupt massa hebben. De intrigerende omstreden Heim theorie doet dit overigens wel. Er zijn ook alternatieve verklaringen denkbaar.
Om het massaprobleem op te lossen (en af te rekenen met de vele oneindigheden) greep men naar het Higgsmechanisme met bijbehorend Higgsdeeltje. Dit Higgsdeeltje heeft echter steeds meer weg van een ongrijpbare eenhoorn. Diverse experimenten hebben de speelruimte voor de massa van dit deeltje ingeperkt tot een klein gebied rond de 115-185 GeV/c2. Eerdere LEP-experimenten hebben de theoretisch meest waarschijnlijke waarde, 95 GeV/c2, al uitgesloten.

Een raadselachtige, onverwachte piek zet natuurkundigen op het spoor van een nieuwe natuurkracht.
Een raadselachtige, onverwachte piek zet natuurkundigen op het spoor van een nieuwe natuurkracht.

Fermilab ontdekt geheimzinnige piek
Mede om dit Higgsdeeltje te vinden hebben onderzoekers de monsterachtige versnellers Tevatron van Fermilab in Batavia, Illinois en de Large Hadron Collider onder het Zwitserse Genève gebouwd. Echter: hoe hard de onderzoekers van het LHC ook protonen op elkaar beuken, erg opschieten wil het niet met het produceren van Higgsdeeltjes. Ondertussen voelen ook de Amerikaanse concullega’s van het Tevatron de hete adem van de budgetcommissie van het Amerikaanse Congres in hun nek. Of dat er mee te maken heeft (zoals sommige boze tongen beweren) is niet bekend, maar er is door Fermilab nu een ontdekking gedaan met, stelt men, een overschrijdingskans van drie sigma, kleiner dan een duizendste. Pas als deze daalt tot onder de vijf sigma, één op de miljoen, is sprake van een voldoende significant resultaat om echt de ontdekking van een onverwacht verschijnsel te kunnen vaststellen. Vandaar dat veel fysici nog voorzichtig zijn en aan meet- of rekenfouten denken.

Bij de botsingen in kwestie komen W-deeltjes (die de zwakke kernkracht overbrengen) en een quark-antiquark paar vrij. Volgens de bestaande theorie moeten deze deeltjesparen zeldzamer worden als hun energie toeneemt. Niets van dat alles. Bij 140 GeV/c2 blijkt er een piek op te treden.

Het kan hier niet om Higgsdeeltjes gaan omdat dan de piek driehonderd maal kleiner zou zijn en de vervalproducten uit bottom quarks zouden bestaan, niet uit W-deeltjes.

Technicolor: wat als we nu inderdaad een nieuwe natuurkracht hebben waargenomen?
Dit zou mogelijk een wederopstanding betekenen van een twintig jaar geleden door deeltjesfysici Kenneth Lane en collega Estia Eichten bedachte theorie: technicolor. Technicolor, ontwikkeld uit quantumchromodynamica, kent een aantal zeer aantrekkelijke kanten. De theorie is bijvoorbeeld “natuurlijk” (produceert geen absurditeiten (zoals Higgsdeeltjes doen) die door het prutsen met allerlei parameters weggewerkt moeten worden). Volgens technicolor ontstaat massa bij “lage” energie (onder de 250 GeV/c2) , omdat deeltjes dan allerlei interacties aangaan met virtuele deeltjes die zorgen voor een soort stroopeffect (wat wij waarnemen als de traagheid van massa). Bij zeer hoge energie ontsnappen de deeltjes hieraan. nadeel van technicolor in de ogen van veel natuurkundigen is dat ook deze theorie geen theorie van alles is die de natuurkrachten unificeert, zoals bijvoorbeeld de snaartheorie pretendeert te zijn. Integendeel, de theorie introduceert een vijfde natuurkracht.

Technicolor voorspelt het bestaan van een grote reeks deeltjes waaronder het technipion. Dit technipion valt precies uiteen in de deeltjes die door Fermilab waargenomen zijn, met de waargenomen energie. Geen wonder dus dat Lane (die veel eerder dan de pers op de hoogte werd gesteld)  het afgelopen half jaar nauwelijks heeft geslapen en de ontwikkelingen op de voet volgt. Spannende tijden.

Update: vals alarm
Hun collega’s van de tweede detector van het lab, DZero, hebben deze observaties echter gecontroleerd met hun eigen onafhankelijke data en analyse-instrumenten en hebben geen bewijs voro een nieuw deeltje gevonden. In plaats hiervan lijken de DZero data in overeenstemming te zijn met het Standaardmodel. [3]

Bronnen
1. New Scientist
2. Arxiv
3. Fermilab experiments fail to confirm new particle clain, Physorg.com