Wat is sequestering in de natuurkunde?
In de context van de fysica is sequestering een voorgesteld middel waarmee bepaalde deeltjes en krachten kunnen worden beperkt tot extra dimensies, waardoor hun interactie met de deeltjes en krachten waaruit het standaardmodel bestaat wordt voorkomen of tot een minimum wordt beperkt. Het idee, dat met name relevant is voor snaartheorie, M-theorie en supersymmetrie (SUSY), is ontwikkeld door de theoretische fysici Lisa Randall en Raman Sundrum. Sequestering kan enkele grote problemen in de deeltjesfysica oplossen. In het bijzonder biedt het een oplossing voor wat bekend staat als het "hiërarchieprobleem" door het doorbreken van supersymmetrie, terwijl het een ander probleem vermijdt dat bekend staat als "smaakovertreding".
Natuurkundigen hebben lang gezocht naar een Grand Unified Theory (GUT) die de vier natuurkrachten verenigt - de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke nucleaire krachten en zwaartekracht - en de eigenschappen van alle elementaire deeltjes toelichten. Het grote probleem dat een dergelijke theorie moet aanpakken, is de schijnbare onverenigbaarheid van algemene relativiteitstheorie met de kwantumtheorie en het standaardmodel. Snaartheorie, waarin de meest fundamentele materie-eenheden, zoals elektronen en quarks, worden beschouwd als uiterst kleine, eendimensionale, snaarachtige entiteiten, is een poging tot een dergelijke theorie. Dit is ontwikkeld tot M-theorie, waarin strings kunnen worden uitgebreid tot twee- en driedimensionale 'branen' die in een hogere dimensionale ruimte drijven, bekend als de 'bulk'.
Naast de problemen bij het in beeld brengen van de zwaartekracht, is er een probleem met het standaardmodel zelf, bekend als het hiërarchieprobleem. Simpel gezegd, het hiërarchieprobleem draait om de reden waarom de zwaartekracht enorm zwakker is dan de andere natuurkrachten, maar het omvat ook voorspelde waarden voor de massa's van sommige hypothetische krachtdragende deeltjes die enorm van elkaar verschillen. Met name één hypothetisch deeltje, het Higgs-deeltje, is naar verwachting relatief licht, terwijl het lijkt dat kwantumbijdragen van virtuele deeltjes het enorm massiever moeten maken, althans zonder een buitengewone mate van fijnafstemming. Dit wordt door de meeste natuurkundigen als uiterst onwaarschijnlijk beschouwd, dus er wordt gezocht naar een onderliggend principe om de verschillen te verklaren.
De theorie van supersymmetrie (SUSY) biedt een mogelijke verklaring. Hierin staat dat voor elk fermion - of stofvormend deeltje - er een boson - of krachtdragend deeltje is - en vice versa, zodat elk deeltje in het standaardmodel een supersymmetrische partner of 'superpartner' heeft. Omdat deze superpartners hebben niet waargenomen, betekent dit dat de symmetrie is verbroken en dat supersymmetrie alleen bestaat bij zeer hoge energieën. Volgens deze theorie wordt het hiërarchieprobleem opgelost door het feit dat de massabijdragen van de virtuele deeltjes en hun superpartners verdwijnen en de schijnbare verschillen in het standaardmodel verdwijnen. Er is echter een probleem met supersymmetrie.
Fundamentele materievormende deeltjes zoals quarks komen in drie generaties of 'smaken', met verschillende massa's. Wanneer supersymmetrie wordt verbroken, lijkt het erop dat een hele reeks interacties kan optreden, waarvan sommige de smaken van deze deeltjes zouden veranderen. Omdat deze interacties niet experimenteel worden waargenomen, moet elke theorie van het breken van supersymmetrie op de een of andere manier een mechanisme bevatten dat zogenaamde smaakovertredingen voorkomt.
Dit is waar sequestering van pas komt. Terugkerend naar het concept van driedimensionale branes die in een hoger dimensionale bulk drijven, is het mogelijk om supersymmetrie te sequesteren die breekt tot een aparte brane van die waarop de deeltjes en krachten van het standaardmodel zich bevinden. De supersymmetrische breekeffecten kunnen worden gecommuniceerd naar het standaardmodel-brane door krachtdragende deeltjes die zich in de bulk kunnen verplaatsen, maar anders zouden de deeltjes van het standaardmodel zich op dezelfde manier gedragen als bij ononderbroken supersymmetrie. Deeltjes in het grootste deel die kunnen interageren met zowel de symmetrie-brekende brane als de standaardmodel-brane zouden bepalen welke interacties kunnen optreden, en kunnen de smaakveranderende interacties uitsluiten die we niet waarnemen. De theorie werkt goed als de graviton - het hypothetische zwaartekracht-dragende deeltje - deze rol speelt.
In tegenstelling tot veel andere ideeën met betrekking tot snaartheorie en M-theorie, lijkt het mogelijk om gesekwestreerde supersymmetrie te testen. Het doet voorspellingen voor de massa's van de superpartners van de bosonen - krachtdragende deeltjes - die binnen het bereik van energieën vallen die haalbaar zijn door de Large Hadron Collider (LHC). Als deze deeltjes worden waargenomen door de LHC, kunnen hun massa's worden afgestemd op wat wordt voorspeld. Vanaf 2011 zijn experimenten bij de LHC er echter niet in geslaagd om deze superpartners te detecteren op de energieën waar ze naar verwachting zouden verschijnen, een resultaat dat de eenvoudigste versie van SUSY lijkt uit te sluiten, hoewel niet enkele meer complexe versies. Zelfs als bewezen is dat SUSY fout is, kan het idee van sequestering nog steeds nuttige toepassingen hebben met betrekking tot andere problemen en mysteries in de fysica.