Snaren op de labtafel

Michiel Snoek en drie mede-natuurkundigen van de Universiteit Utrecht beschrijven in de Physical Review Letters van 16 december een experiment over snaartheorie. Die opvolger van de bestaande deeltjesnatuurkunde is nog nooit getest - weten de Utrechters de snaren op de labtafel te krijgen? Snaarexpert Erik Verlinde is kritisch.

Al in mei trokken ze de aandacht met de voorpublicatie. Michiel Snoek, Masudul Haque, Stefan Vandoren en Henk Stoof van de Universiteit Utrecht publiceerden met Ultracold Superstrings een recept om supersymmetrie te onderzoeken in een lab. Prachtig nieuws, want supersymmetrie is onderdeel van de nog ongeteste snaartheorie, de gedroomde opvolger van de huidige deeltjesfysica. Snaarexpert Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, is sceptisch over de waarde van het artikel. "Ik verwacht er geen doorbraken van in de snaartheorie."


Schokkende elastiekjes
Volgens de snaartheorie (Engels: string theory) bestaat alle materie in het heelal uit dezelfde bouwstenen: snaren, absurd kleine elastiekjes. De snaren zijn zo klein, dat één waterstofatoom miljarden miljarden snaren lang is - terwijl er 'maar' tien miljard waterstofatomen in een meter passen.
Snaren zijn er in allerlei vormen en maten: met losse uiteindes of juist met de eindes aan elkaar geknoopt. De losse uiteinden kunnen in sommige gevallen maar langs één lijn bewegen, in andere gevallen ook over vlakke blaadjes of gesloten oppervlakken (branes). Elke snaar kan weer op allerlei manieren trillen en die verschillende trillingen komen overeen met de veel grotere 'elementaire' deeltjes uit het Standaard Model: quarks, neutrino's en elektronen bijvoorbeeld.


IJskoude supersnaar
Kleine deeltjes laten zich niet zomaar bekijken onder de microscoop - er is aardig wat geweld voor nodig. In de modernste deeltjesversnellers kunnen natuurkundigen zoveel energie samenballen dat atoomkernen smelten. Ze vormen dan een quark-gluon-plasma dat ook kort na de Oerknal het heelal vulde. Snaren zijn miljarden keer miljarden malen kleiner. "Om de snaarheorie direct te testen heb je een versneller nodig ter grootte van de aarde, of nog groter. Je kán geen versneller maken die dat direct bekijkt", vertelt Stoof. Met zijn collega's ging hij op zoek naar een alternatief.

In hun pas verschenen artikel beschrijven Stoof en de zijnen hoe je met bestaande techniek een snaar na kunt bootsen. Paradoxaal genoeg doen ze dat met extreem weinig energie: hun voorstel werkt een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Een langgerekte draad kaliumatomen, gevangen in supergekoeld rubidiumgas, trilt volgens het viertal zoals een van de snaren in de snaartheorie. Stoof: "Als ze fanatiek aan de slag gaan – het gaat zo snel in dit veld – zouden onderzoekers dit experiment best binnen vijf jaar uit kunnen voeren. Alle elementen zijn aanwezig." Een Italiaanse onderzoeksgroep heeft al interesse getoond in het voorstel.

Visualisatie uit Ultracold Superstrings. De pannekoekjes zijn wolkjes rubidium, neergeslagen als een ultrakoud Bose-Einstein-condensaat (BEC). In de BEC wordt een draaikolkje opgewekt, met in het hart een serie kaliumatomen. Verschillende krachten - middelpuntvliedend vanuit het midden van de draaikolk, afstoting tussen kalium-atomen, sturing door verschillende lasers - wekken trillingen in de kaliumlijn op. Die komen precies overeen met de trillingen in een van de snaren uit de snaartheorie: de Schwarz-Green-snaar.
bron: Ultracold Superstrings, Physical Review Letters 95, 250401 (2005)

De wiskunde van de sterke kernkracht lijkt prachtig op die van trillende snaren, ontdekten natuurkundigen Nambu, Susskind en Nielsen onafhankelijk van elkaar in 1970. Het was het begin van de snaartheorie, die steeds verder werd uitgebreid. Zwaartekracht komt zonder problemen uit de wiskundige machinerie gerold, heel anders dan in de kwantumtheorie. De prijs is een ingewikkelder theorie die moeilijker is te vertalen naar de energie en deeltjes van het dagelijks leven.

Ingewikkelde wiskunde als van de kwantum- en snaartheorie levert ook problemen op: uitkomsten die richting oneindig vliegen bijvoorbeeld. In de snaartheorie is dat opgelost via het principe van supersymmetrie. Elk deeltje heeft in de snaartheorie een partner met bijna dezelfde eigenschappen. De oneindigheden van de deeltjes en hun partners houden elkaar in evenwicht, waardoor er met de theorie te rekenen valt.

Probleem is dat die supersymmetrische partnerdeeltjes, met namen als squark, slepton en fotino, nog nooit in het wild zijn waargenomen. Om de ontbrekende partners te verklaren is de symmetriebreking ingevoerd. Vlak na het ontstaan van het heelal gebeurde er iets dat het verband tussen de partners verstoorde en kregen deeltjes uit de ene groep een veel hogere massa dan hun partners uit de andere groep. Alleen de deeltjes met lage massa's zijn redelijk stabiel; de supersymmetrische partners vallen zó makkelijk uit elkaar dat ze nog nooit zijn waargenomen.

Wat de spontane breking veroorzaakte en hoe die verliep is voorlopig nog niet duidelijk. Het Utrechtse experiment zou niet alleen een supersymmetrische snaar opleveren, die symmetrie breekt na verloop van tijd ook nog eens spontaan. Daarmee is het 't eerste experiment ooit om symmetriebreking mee te onderzoeken.

Supersymmetrie in actie. De plaats van het gele bolletje geeft aan in welke toestand de deeltjes en hun superpartners zitten. Bovenop de berg in het centrum zijn ze supersymmetrisch, maar dat is enorm instabiel. De kleinste verstoring duwt het balletje al naar beneden - symmetriebreuk. In welke richting het balletje valt en hoe de symmetriebreuk dus precies werkt is niet zomaar te voorspellen. bron: superstringtheory.com


Deelprobleem in het lab bekijken
Volgens Stoof is de modelsnaar van zijn groep "de eerste stap om werkelijk elementen van de snaartheorie experimenteel in actie te zien." De grote snaar, met daarin alle eigenschappen om alle mogelijke deeltjes te vormen, is razend ingewikkeld. Daarom bekijken snaartheoreten altijd deelproblemen, die wél exact zijn op te lossen. Stoof biedt een alternatief: "De snaar die wij kunnen simuleren heeft nog niemand wiskundig exact kunnen oplossen. Wij stellen niets anders voor, dan zo'n deelprobleem in het lab te bekijken. Met ons experiment zou je zo'n snaar voor het eerst live kunnen bestuderen."

Verlinde ziet weinig heil in zo'n simulatie. "Het is een leuk model. Ze maken met technieken uit de gecondenseerde materie iets dat lijkt op een snaar - maar dat ís het niet", verklaart hij zijn skepsis. "Dat je snaar en model met dezelfde methoden beschrijft betekent niet dat ze hetzelfde zijn. De claim dat dit doorbraken in de snaartheorie op gaat leveren klopt niet. Wat dat betreft denk ik dat de auteurs behoorlijk gebruik hebben gemaakt van wishful thinking."



Snaartheorie zit vol breinbrekers. Zo voorspelt de theorie dat je ons heelal niet drie, maar tien richtingen kent. Lengte, breedte, hoogte en nog zes ruimtedimensies zijn samen met de tijd het minimum om fatsoenlijk met de snaartheorie te werken. Blengte? Lhoogte? De zes onzichtbare richtingen zijn volgens snaartheoreten 'opgerold': het heelal is in de bhoogte-richting zó klein, dat die extra richting bijna niet opvalt. Misschien kunnen onderzoekers er met de juiste apparatuur toch sporen van vinden. Hier een weergave van de Calabi-Yau-ruimte, één mogelijke vorm van de zes opgerolde dimensies.


Leren van modelleren
Het commentaar van Verlinde is misschien te kort door de bocht. Met een simpel model uitzoeken hoe de werkelijkheid werkt is namelijk een klassieke tactiek in de natuurkunde en andere wetenschappen. De versimpelde supersnaar van Stoof's team past daar prima in. "Bovendien, als dezelfde formules snaar en model beschrijven kun je van de ene iets leren door de andere te bestuderen", voorspelt de hoogleraar gecondenseerde materie. "Zo kunnen mensen uit het ene vakgebied een nuttige bijdrage leveren aan het andere."

De supersnaar van Snoek, Haque, Vandoren en Stoof is zeker geen compleet model van de snaartheorie. Ze claimen dan ook geen doorbraak in de snaartheorie, maar wel dat ze voor het eerst een manier hebben gevonden om bepaalde aspecten experimenteel te bestuderen. Volgens Stoof kom je in een experiment altijd dingen tegen die je op basis van de theorie niet verwacht had. Daarmee is de theorie weer aan te scherpen.



Een Bose-Einstein condensaat is maar een klein wolkje atomen, maar er is een complete vacuümkamer vol apparatuur nodig om een echte BEC te maken. Bij een miljoenste graad boven het absolute nulpunt vloeien atomen door een vreemd kwantumeffect tot één collectief, waarin geen individuele deeltjes meer te onderscheiden zijn. Een ideale omgeving, volgens Snoek en collega's, om zwakke trillingen van een reeks kaliumatomen zo af te stellen dat ze zich gedragen als een supersnaar uit de snaartheorie. bron: Georgia Institute of Technology


Lekkende ruimte
Experimenteel bewijs van de snaartheorie is misschien ook op andere manieren te vinden. "In de snaartheorie heeft ons heelal niet drie, maar tien dimensies ", legt Verlinde uit. Die dimensies gaan anders dan de lengte, breedte en hoogte die we kennen niet oneindig ver door, maar zijn juist piepklein: het verschil is nog erger dan tussen de lengte en dikte van een vel papier. Hoe klein de extra dimensies zijn - 10-34 meter of 10-20 meter? - weet geen mens.

"In deeltjesversnellers als de LHC (Large Hadron Collider, nu in aanbouw in Génève - GdV) zien we misschien sporen van de extra dimensies", denkt de Amsterdamse hoogleraar. Energie van een botsing tussen deeltjes zou bijvoorbeeld weg kunnen lekken in de extra ruimte van de snaartheorie. Zo'n energietekort is misschien op te sporen door de energie van deeltjes voor en na de botsing te meten. Maar: alleen als de dimensies niet te klein zijn. Verlinde: "meet de LHC niets, dan zijn de dimensies waarschijnlijk kleiner en is er een krachtiger versneller nodig".


Een deeltjesversneller botsen protonen of andere deeltjes zo hard op elkaar, dat ze in een flits energie veranderen in een hele reeks bijproducten. Om die producten te sorteren werd vroeger een bellenvat gebruikt. Elke kromme lijn stelt een geladen deeltje voor, dat in een magneetveld een bocht maakt. Uit de straal en richting van die bocht zijn energie en lading af te leiden. bron: CERN.

Kijk omhoog
Wil CERN's LHC geen snaartheorie aantonen, dan kan de sterrenkunde misschien uitsluitsel bieden. In het verre heelal gebruikt moeder natuur grof geweld zoals wij op aarde nooit voor elkaar krijgen. Botsende zwarte gaten of ontploffende hypersterren blazen in een paar secondes meer energie de ruimte in dan de zon in haar tien miljard jaar lange leven uitzendt. Bij dat soort energieën heb je niet meer genoeg aan het Standaard Model en begint de snaartheorie mee te spelen. "Met heel nauwkeurige apparatuur is uit sterrenkundige metingen bewijs van de snaartheorie te halen", vermoedt Verlinde.

Ook Stoof ziet snaarmogelijkheden in de astronomie: "Snaartheorie is testbaar door te kijken naar temperatuurswisselingen in de kosmische achtergrondstraling." Die straling is het afgekoelde overblijfsel van de grootste explosie van allemaal: de Oerknal zelf, dertien miljard jaar terug. "Bepaalde variaties over grote delen van de ruimte zouden wijzen op het bestaan van snaren."


Het nagloeiende licht van de Oerknal, de kosmische achtergrondstraling die ondertussen is afgekoeld tot bijna drie graden boven het absolute nulpunt. Uit temperatuurvariaties in die straling is misschien bewijs van de snaartheorie te vinden. bron: COBE-satelliet.

Voorbij het begin van de tijd
De Oerknal is een van de uitdagingen voor de natuurkunde: dertien miljard jaar begonnen tijd, ruimte en de materie in ons complete heelal ermee. Om die opeenballing van materie en energie te begrijpen hebben natuurkundigen de relativiteitstheorie én de kwantumtheorie nodig. Helaas zijn die in hun huidige vorm niet in dezelfde wiskunde te vangen. Snaartheorie kan de twee verbinden en de Oerknal verklaren, hopen snaarexperts.

"Het Standaard Model breekt af in de buurt van de Oerknal", legt Verlinde uit. "Om verder te komen heb je echt de snaartheorie nodig." Voor de theorie breed omarmd wordt moet er wél een keer een experiment komen om het wiskundige bouwwerk, ondertussen 35 jaar oud, aan de werkelijkheid te toetsen.

Henk Stoof is groot voorstander van die controle: "Sommige snaartheoreten zijn helemaal niet geïnteresseerd in experimentele bevestiging van hun theorie. Maar we doen hier wel aan natuurkunde: je móet connectie maken met het experiment, met waarnemingen."

Zie verder:
Ingevroren supersnaar (Kennislink artikel)
A brief history of string theory (Engels)
Snaartheorie en de extra dimensies (Engels)
Sociaal onder dwang (Kennislink artikel)
Snaartheorie: theorie van alles of niets (Kennislink artikel)
'Theorie van alles' is gebaseerd op snaren (Kennislink artikel)