Deeltjes zijn onder te brengen in drie families. Waarom? Twee natuurkundigen denken het antwoord te weten en zouden hiermee in één klap het donkere materie-probleem oplossen.

Eigenlijk heb je maar een handvol soorten deeltjes nodig om alles in ons heelal uit op te bouwen: van dit tijdschrift tot de grootste sterrenstelsels. Toch zijn er de afgelopen eeuw tientallen deeltjes ontdekt, waarvan je de meeste overbodig zou kunnen noemen. Ze maken geen deel uit van atomen, maar floepen alleen tevoorschijn onder extreme omstandigheden – zoals wanneer je twee deeltjes met bijna de lichtsnelheid op elkaar laat botsen in een deeltjesversneller. Waarom zijn al die extra deeltjes er? En waarom vinden we al een tijdje geen nieuwe meer?

De Duitse natuurkundige Hermann Nicolai en zijn Poolse collega Krzysztof Meissner denken het antwoord op die vragen te hebben gevonden. Ze stelden een theorie op waarin alle deeltjes die we nu kennen netjes een plek hebben. En die theorie zou ook nog eens een van de heetste hangijzers uit de sterrenkunde aan kunnen pakken: het probleem van de donkere materie.

Drie families

Maar eerst even terug naar onze deeltjesverzameling. Hoe zit die precies in elkaar? Nou, atomen bestaan uit atoomkernen, waar elektronen omheen cirkelen. Zo’n atoomkern bestaat zelf weer uit protonen en neutronen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit deeltjes genaamd quarks. Van die quarks heb je dan twee soorten nodig: up en down. Dan zijn er ook nog neutrino’s, maar goed, daar merken we verder nauwelijks iets van; die vliegen overal ongehinderd doorheen.

Dat valt nog te overzien. Sinds de eerste decennia van de vorige eeuw is echter gebleken dat er nog veel meer deeltjes zijn. Er zijn in totaal zes quarks, drie elektron-achtige deeltjes en drie neutrino’s. Bovendien heeft elk deeltje een antideeltje, en kunnen quarks drie kleuren hebben: rood, groen en blauw. Al met al kom je zo uit op een whopping 48 deeltjes. (En dan tellen we de deeltjes die nodig zijn om de krachten tússen deeltjes over te brengen nog niet eens mee.)

Die 48 deeltjes kun je vervolgens onderverdelen in drie families van elk zestien deeltjes. De vraag is dan: waarom zijn er precies drie families? Waarom geen vier families? Of vijf? Of oneindig? Nu kan het zo zijn dat we die andere families aan deeltjes simpelweg nog niet hebben gevonden. Als we maar steeds krachtigere deeltjesversnellers bouwen, dan zullen ze wel een keer opduiken. Nicolai en Meissner vragen zich echter af: wat als we ze niet vinden omdat ze niet bestaan? Misschien zijn er echt precies drie families – en kúnnen het er ook niet meer of minder zijn.

Superpartners

Met die gedachte in het achterhoofd wendden Nicolai en Meissner zich tot een theorie die al uit de jaren zeventig stamt: N=8 superzwaartekracht. Dat N=8 negeren we even, anders wordt het al gauw heel ingewikkeld. Maar dat woord ‘super-zwaartekracht’ wil twee dingen zeggen. Ten eerste: de theorie gaat uit van supersymmetrie, het idee dat elk deeltje een ‘superpartner’ heeft. (Dat weer iets anders is dan een antideeltje.) Ten tweede: de theorie bevat zwaartekracht – een pluspunt ten opzichte van onze huidige deeltjestheorieën, die deze kracht negeren. Als bonus bevat N=8 superzwaartekracht – en daarmee ook de new and improved variant die Nicolai en Meissner nu hebben bedacht – exact drie families aan ‘gewone’ deeltjes.

Mocht de theorie van Nicolai en Meissner de werkelijkheid beschrijven, dan hoeven we ons dus niet meer het hoofd te breken over het aantal families; dat zijn er drie, punt. Ooit vinden we misschien wel nieuwe deeltjes, maar dat zal dan nooit een deeltje zijn dat behoort tot familie vier of hoger, zoals een zwaardere quark. En vinden we zo’n deeltje, dan kan de theorie van Nicolai en Meissner dus linea recta de prullenmand in.

In ons heelal zijn er drie families aan deeltjes en antideeltjes. Per familie zijn er twee quarks en twee antiquarks, die elk weer in drie kleuren voor kunnen komen. Daarnaast heeft elke familie een negatief geladen ‘elektron-achtig’ deeltje, diens positief geladen antideeltje, een neutrino en een antineutrino. Een grote openstaande vraag binnen de natuurkunde is: zijn er precies drie families? En zo ja: waarom is dat zo? Beeld: Jan Willem Bijl

Graven naar sporen

Daarnaast biedt de theorie de mogelijkheid om het donkere-materie-probleem op te lossen: het gegeven dat het heelal veel meer massa lijkt te bevatten dan we kunnen zien. Dat zit zo. Omdat de theorie van Nicolai en Meissner ook de zwaartekracht beschrijft, bevat hij een ‘zwaartekrachtsdeeltje’: het (nog niet ontdekte) graviton. En omdat de theorie supersymmetrie omarmt, heeft dat zwaartekrachtsdeeltje ook een superpartner: het gravitino. En dit zou weleens het deeltje kunnen zijn dat verantwoordelijk is voor al die ontbrekende massa in ons heelal.

Nu is het gravitino uit de theorie van Nicolai en Meissner voor een deeltje bizar zwaar: 0,02 milligram, oftewel 13 triljoen keer zo zwaar als een proton of neutron. Dat betekent dat je maar één gravitino per 10.000 kubieke kilometer aan ruimte nodig hebt om het donkere materie-probleem op te lossen.

En hoe vind je zulke zeldzame deeltjes dan? Daarvoor suggereren de twee natuurkundigen een zoekmethode voor donkere materie waar je in KIJK 7/2019 al over kon lezen: graaf stenen op van kilometers diep en bestudeer die minutieus. In zulke stenen zouden zich namelijk sporen kunnen bevinden van gravitino’s die er – ergens in de afgelopen paar miljard jaar – doorheen zijn geschoten.

Oké, laten we wel wezen: het theoretische werk van Nicolai en Meissner is gebouwd op behoorlijk wat aannames die net zo goed niet waar zouden kunnen zijn. Aan de andere kant: als er straks tóch stenen uit boorputten naar boven worden gehaald om ze te doorzoeken op sporen van donkere materie – dan kan het weinig kwaad om gelijk even te kijken of er misschien ooit een superzwaar gravitino doorheen is gegaan…

Deze Far Out staat ook in KIJK 1/2020.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bronnen: Physical Review D, Physical Review Letters, Max-Plank-Institut für Gravitationsphysik

Beeld: iStock/Getty Images 

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!