Door een beperkt aantal deeltjes toe te voegen, denken natuurkundigen allerlei grote vraagstukken in één klap op te kunnen lossen.

Er zijn nogal wat problemen waar natuur- en sterrenkundigen nog geen oplossing voor hebben. Waar bestaat bijvoorbeeld de mysterieuze donkere materie uit? En wat zorgde ervoor dat het heelal vlak na de oerknal eventjes razendsnel uitdijde tijdens de zogenoemde kosmische inflatie?

Guillermo Ballesteros en drie collega-fysici denken nu een hele reeks van dat soort problemen in één keer op te lossen. Ze hebben in elk geval wel een pakkende naam bedacht voor hun model: het Standard Model Axion Seesaw Higgs Portal Inflation Model, afgekort SMASH (als je de laatste paar woorden negeert tenminste).

Tekort aan antimaterie

Naast de al genoemde kwesties rond de donkere materie en de inflatie van het heelal moet SMASH verklaren waarom ons universum meer materie dan antimaterie bevat. Je zou namelijk verwachten dat er na de oerknal van elk evenveel is ontstaan. Maar dat is duidelijk niet zo; we leven in een heelal vol materie, waarin antimaterie een zeldzaamheid is. Sterker nog, als er destijds van beide evenveel was ontstaan, zouden al die deeltjes en antideeltjes elkaar lang geleden al hebben vernietigd en was het heelal nu leeg geweest.

Nog een vraag die open staat, is hoe het kan dat neutrino’s zoveel lichter zijn dan de andere deeltjes. En tot slot is er het wat obscuurdere ‘sterke CP-probleem’. Dat draait om een getalletje uit de deeltjesfysica dat precies nul is, terwijl het volgens de theorie elke denkbare waarde had kunnen hebben.

Handvol deeltjes

Hoe denkt SMASH al die problemen uit de wereld te helpen? Door middel van een “minimale uitbreiding” op het standaardmodel van de deeltjesfysica, zo schrijven de verantwoordelijke natuurkundigen. Dat wil zeggen: ze hoeven maar een handvol nog niet ontdekte deeltjes toe te voegen aan de deeltjes en krachten die we al kennen om hun doel te bereiken.

Allereerst introduceren Ballesteros en collega’s drie zware neutrino’s, die het logisch maken dat de drie bekende neutrino’s zo licht zijn. Dit gebeurt via het seesawmechanisme (waar dus de tweede S in SMASH voor staat), in goed Nederlands het wipwapmechanisme. Het idee hierachter: de massa’s van beide groepjes neutrino’s zijn met elkaar gekoppeld alsof ze samen op een wip zitten. Gaat de een omhoog, dan gaat de ander omlaag. Dus door een groepje van drie zware neutrino’s toe te voegen, kun je de massa van de drie huidige neutrino’s heel klein maken. Deze zware neutrino’s zouden bovendien verklaren waarom er meer materie dan antimaterie is, door de manier waarop ze vlak na de oerknal vervallen.

Donkere materie

Vervolgens voegen de natuurkundige ook nog het axion toe (de A uit SMASH). Dit deeltje zou dan het genoemde sterke CP-probleem oplossen. (Ineens is het niet meer gek dat het betreffende getalletje precies de waarde nul heeft, maar logisch.) Bovendien zou de donkere materie in ons heelal kunnen bestaan uit deze axionen.

Hetzelfde veld dat in SMASH het axion oplevert, zou er bovendien samen met het higgsveld – het overal aanwezige veld dat elementaire deeltjes hun massa geeft – voor hebben gezorgd dat het heelal na de oerknal heel snel uitdijde. (Lees hier meer over waarom wetenschappers denken dat dit destijds is gebeurd.)

Niet elegant

Klinkt allemaal misschien heel veelbelovend. Toch is natuurkundige Tristan du Pree (CERN) nog niet zo onder de indruk. “Voor zover ik kan zien, dragen ze voor al die problemen niets nieuws aan.” En dat klopt: het axion is al in de jaren zeventig bedacht en ook het seesawmechanisme is allesbehalve een idee van deze vier natuurkundigen. Wel is het voor het eerst dat al deze onderdelen zijn samengevoegd in één model, beweren de auteurs. Ook doen ze een aantal concrete voorspellingen, bijvoorbeeld over de massa van het axion. “Dat is wel een sterk punt”, zegt Du Pree.

Maar in de basis vindt Du Pree het voorstel niet erg elegant. “Dit is gewoon knip-en-plakwerk.” Hij heeft dan meer met bijvoorbeeld supersymmetrie; het idee dat alle deeltjes een zwaardere ‘superpartner’ hebben. “Daarmee kun je ook veel van de genoemde problemen oplossen, en dan vanuit één goed gemotiveerd idee.”

Desondanks krijgt SMASH op het moment behoorlijk wat aandacht. Maar goed, de naam van het model ligt dan ook zeker goed in het gehoor…

Bronnen: ArXiv.org (kort artikel), ArXiv.org (lang artikel), ScienceAlert, New Scientist

Beeld: NASA, ESA, M.J. Jee en H. Ford (Johns Hopkins University)