De verenigde natuurkrachten

Ook de theorieën uit de koker van Walter van Suijlekom zijn geen makkelijk materie. Hij is wiskundige aan de Radboud Universiteit Nijmegen en publiceerde afgelopen november met twee collega’s een theorie die laat zien dat de elektromagnetische kracht, de sterke-, én de zwakke kernkracht bij hoge energieën dezelfde oorsprong hebben en precies even sterk zijn.

In tegenstelling tot andere unificatiepogingen van deze krachten rolt er uit zijn theorie bij lage energie precies het geijkte standaardmodel. Kennislink duikt in de dierentuin van deeltjes en krachten, en belt met Van Suijlekom.

Kruisen van de lijnen

Eigenlijk lag de theorie volgens Van Suijlekom al een tijd op stapel. “Het model wat ik samen met Fransman Alain Connes en Libanees Ali Chamseddine ontwikkelde bestaat al zo’n twee jaar. Het was alleen nog niet goed uitgewerkt, ondanks dat we ongeveer wisten wat we moesten doen om alles goed op papier te krijgen. Dat kost tijd, en die moet je reserveren; je moet erin duiken en alles precies berekenen. Dat hebben we het afgelopen jaar gedaan.”

Van Suijlekom ging aan de slag met de zogenoemde niet-commutatieve meetkunde (zie kader Lagen in de ruimte) die het gedrag van de verschillende natuurkrachten beschrijft, zoals de specifieke invloed van de krachten bij een bepaalde ruimteschaal of op een bepaald energieniveau. De invloed van zulke krachten varieert namelijk. “Neem de elektromagnetische kracht,” zegt Van Suijlekom, “deze speelt op het niveau van het dagelijks leven een grote rol, maar als je naar bijvoorbeeld de schaal van een atoom gaat dan nemen de zwakke- en sterke kernkracht het stokje over.”

De invloed deze krachten kun je uitzetten in een grafiek, die aangeeft hoe sterk iedere kracht is bij een bepaald energieniveau. “Doe je dat met het standaardmodel dan lopen die lijnen weliswaar naar elkaar toe, maar ze raken elkaar nergens precies in een punt”, zegt Van Suijlekom. “Zouden ze elkaar kruisen, dan is dat een aanwijzing dat ze zich precies hetzelfde gedragen en niet meer te onderscheiden zijn.”

De theorie van Van Suijlekom is eigenlijk een uitbreiding van het standaardmodel, dat prima voorspellingen doet voor relatief lage energieën. Natuurkundigen verwachten echter dat het voor hogere energieën geen goede voorspellingen meer doet, en dat terwijl de unificatie van de natuurkrachten precies in die regio zou plaatsvinden. In de eerder genoemde grafiek die uit de theorie van Van Suijlekom rolt komen de krachten wél in een punt uit. “Daar is er sprake van een soort oerkracht”, zegt Van Suijlekom. “Alle krachten zijn dan precies even krachtig.”

Als eerste deed Van Suijlekom een lange berekening, gewoon met pen en papier. Daarin werd al duidelijk dat er een snijpunt was van de drie verschillende krachten. “Dat was hoopgevend. Dan dan ga je als theoreticus naar de computer. En daar is waar het vrijwel altijd misgaat”, zegt Van Suijlekom. “De computer doet meestal wat anders, waardoor je de theorie of de berekening moet aanpassen. Maar tot mijn verrassing ging het ditmaal in een keer goed. Het klopte gewoon en dat was een prachtig resultaat.”

Tosti’s in het café

Van Suijlekom lichtte zijn collega’s in Frankrijk en Libanon na de succesvolle berekening meteen in. Met hen had hij het afgelopen jaar veel contact gehad om de theorie volledig te ontwikkelen. Niet altijd per mail, want dan lopen discussies snel vast. “Het beste is om elkaar in het echt te zien”, zegt Van Suijlekom. “Ik was afgelopen zomer in Parijs om te discussiëren met mijn collega’s, op het Institut des Hautes Études Scientifiques, of gewoon in een café in Parijs met een tosti erbij.”

In juli 2015 kwam de theorie van de drie wetenschappers naar buiten in een voorpublicatie die op internet door iedereen gelezen kan worden. “Meteen gingen er andere wetenschappers mee aan de slag, ook onderzoekers van buiten het wiskundige vakgebied”, zegt Van Suijlekom. “Al binnen twee weken na die voorpublicatie kregen we onafhankelijke bevestiging dat onze berekeningen klopten.”

De echte publicatie volgde in november 2015, en nu is het tijd om de theorie te laten ‘incuberen’ zoals Van Suijlekom het noemt. Hij gaat de komende tijd op een soort ‘promotietour’ om de publicatie onder de aandacht te brengen van vakgenoten. Dat gebeurt bijvoorbeeld met lezingen op congressen. “Daaruit volgen hopelijk weer nieuwe discussies die de theorie verder kunnen brengen”, aldus Van Suijlekom.

Nieuwe deeltjes

De theorie van Van Suijlekom voorspelt een hoop nieuwe deeltjes, sommige bij extreem hoge energie (ver buiten het bereik van huidige deeltjesversnellers) maar ook exemplaren bij lagere energie. En dat zou goed nieuws zijn volgens Van Suijlekom, voor zowel de theorie als voor de natuurkundigen die naar nieuwe deeltjes zoeken.

“Er zijn theorieën die voorspellen dat er vanaf de relatief lage energieën waar we nu naar kijken geen nieuwe deeltjes meer opduiken tot aan extreem hoge energieën”, zegt hij. “Eigenlijk is dat de nachtmerrie van experimentatoren, die zo niks nieuws meer kunnen vinden! Bovendien denk ik dat het niet waarschijnlijk is dat er geen nieuwe deeltjes meer gevonden worden bij lagere energieën.”

Een ander punt waar Van Suijlekom op wijst is het feit dat zijn theorie ‘stabiele’ protonen voorspelt, precies zoals waarnemingen laten zien. “De voorspelling dat protonen niet stabiel zouden zijn is vaak als een donkere wolk boven andere unificatiepogingen blijven hangen,” zegt hij, “onze theorie is nu een van de weinige theorieën waar het verval van protonen niet in zit.”

De voorspelling van nieuwe deeltjes geeft een nieuwe dimensie aan zijn werk, zegt Van Suijlekom. “Wiskunde gaat doorgaans niet ‘kapot’ doordat je een experiment doet, maar dat kan voor onze toepassing wel het geval zijn. Onze theorie is namelijk direct gekoppeld aan deeltjesexperimenten: het ontdekken van nieuwe deeltjes of eigenschappen van bestaande deeltjes. Dat maakt het spannend.”