Het standaard model en de theorie van alles

Het standaardmodel is de theorie die natuurkundigen hebben om de subatomaire wereld te beschrijven.

Maar het standaardmodel is niet een theorie van alles.

1) Het kan de oorsprong van de materie in het universum niet verklaren. Waarom is er meer materie dan antimaterie in het universum.

2) Het kan de versnelde uitdijing van het universum niet verklaren.

3) Het melkwegstelseldraaiingsprobleem. Het kan niet verklaren waarom sterrenstelsels draaien alsof ze een enorme hoeveelheid onzichtbare materie bevatten die donkere materie wordt genoemd.

De buitengebieden van de spiraalstelsels draaien sneller rond dan verwacht werd op grond van de bekende massa. Dit heet het melkwegstelseldraaiingsprobleem.

Er moet dus een sterker zwaartekrachtsveld zijn. Hiervoor werd aangenomen dat er onzichtbare massa van donkere, onzichtbare materie aanwezig is in de sterrenstelsels.

4) Het standaardmodel kan de zwaartekracht niet verklaren, laat staan hoe de zwaartekracht zou kunnen worden verenigd met de drie andere fundamentele krachten.

De theorie van alles of unificatietheorie, is een (nog niet bestaande) theorie die de verschillende fundamentele theorieën in de natuurkunde met elkaar probeert te verenigen.

De theorie van alles uit 1986.

Al jarenlang is de mens op zoek naar unificatie, naar het bestaan van één theorie die alle wetten van de natuurkunde verenigt.

De ’theorie van alles’ uit 1986 is een nogal ironische term voor een overkoepelend raamwerk dat alle fysische fenomenen op een fundamenteel niveau met elkaar verbindt. In 1986 publiceerde theoreticus John Ellis in zijn Nature artikel – “The superstring: theory of everything, or of nothing?”

“Het zou één enkele motor zijn die alles aandrijft”, zegt Francesco Sannino, een professor aan de Universiteit van Zuid-Denemarken. “Dit is duidelijk aantrekkelijk, maar ook een romantische kijk op de wereld om ons heen.”

Tegenwoordig zegt Ellis, dat hij nog steeds een optimist is, maar zijn verwachtingen zijn meer getemperd. “Ik zou blij zijn met een theorie van wat dan ook”, zegt hij. “Alles meer dan wat wordt beschreven door het standaardmodel.”

Maar om verder te gaan dan het standaardmodel en naar een theorie van alles te gaan, hebben wetenschappers houvast nodig in de vorm van een onverwachte afwijking – die ze nog moeten vinden.

“Het standaardmodel is te goed”, zegt Peter Woit, een theoreticus en wiskundige aan Columbia. “Ondanks een enorme inspanning hebben we niets beters kunnen bedenken.”

Toen de CERN Large Hadron Collider (LHC) in Genève in 2008 van start ging, hoopten natuurkundigen dat ze eindelijk fysica zouden ontdekken die verder ging dan verwacht. “Verschillende collega’s dachten dat we op de eerste dag 100 nieuwe deeltjes zouden zien”, zegt Sannino. “Dat was naïef en niet wat de natuur besliste.”

Ellis en vele andere natuurkundigen hoopten dat de LHC supersymmetrie zou ontdekken, een uitbreiding op het standaardmodel dat veel problemen oplost door veel nieuwe deeltjes toe te voegen. De experimentele ontdekking van supersymmetrie zou een concrete stap zijn geweest in de richting van de supersnaartheorie, de ’theorie van alles’ die Ellis aanprees in zijn artikel uit 1986.

“Snaartheorie stopt alles in één droomtheorie van alles – je hoeft alleen maar zeven extra dimensies te kopen”, zegt Sannino.

Maar de LHC vond slechts één nieuw fundamenteel deeltje: het Higgs-deeltje, het sluitstuk van het standaardmodel. Alle andere ontdekkingen van de LHC hebben de voorspellingen van het standaardmodel alleen maar versterkt.

Supersymmetrie leek steeds minder waarschijnlijk te kloppen en supersnaartheorie kwam nooit uit in iets met toetsbare en concrete voorspellingen.

Ellis erkent dat de weg naar een ‘theorie van alles’ veel ruiger is gebleken dan hij en de wetenschappelijke gemeenschap in de jaren tachtig voor ogen hadden. “De wereld is waarschijnlijk veel gecompliceerder dan we ons ooit hadden kunnen voorstellen”, zegt hij.

Jo Pieters, mei 2023