Six and seven dimensional extrema of Non-SUSY heterotic theory with non-maximal enhancements

Het universum, zoals natuurkundigen het begrijpen, is gebouwd op een fundament van symmetrie. In de meest succesvolle theorieën van de deeltjesfysica zijn deze symmetrieën niet slechts wiskundige trucjes; het zijn de regels die het kosmos stabiel houden en de natuurwetten consistent maken. Decennialang was de belangrijkste kandidaat voor een theorie van alles de snaartheorie, die stelt dat de fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid minuscule, trillende snaren zijn. De meeste versies van deze theorie leunen zwaar op een specifiek soort symmetrie genaamd supersymmetrie, die elk bekend deeltje koppelt aan een zwaardere, onzichtbare partner. Dit koppel is ongelooflijk nuttig voor berekeningen, maar ondanks decennia van zoeken is er nog nooit een experiment gevonden dat bewijs leverde voor deze partnerdeeltjes. Deze afwezigheid heeft ertoe geleid dat sommige theoretici een gedurfde vraag stelden: wat als het universum helemaal geen deze symmetrie heeft? Wat als we in een wereld leven waarin supersymmetrie vanaf het begin is doorbroken?

Het verkennen van een universum zonder supersymmetrie is moeilijk omdat de gebruikelijke wiskundige instrumenten die de snaartheorie beheersbaar maken, niet langer werken. Zonder het beschermende schild van symmetrie voorspelt de theorie vaak het bestaan van instabiele deeltjes die sneller dan het licht bewegen, bekend als tachyons, die het hele universum zouden doen instorten. Er is echter een specifieke versie van de snaartheorie, bekend als de heterotische theorie, die erin slaagt te bestaan zonder supersymmetrie en zonder deze gevaarlijke tachyons. De uitdaging voor natuurkundigen is om te begrijpen hoe een dergelijk universum in een stabiele staat kan terechtkomen. In een supersymmetrische wereld is het vacuüm van de ruimte van nature vlak en stabiel. In deze niet-supersymmetrische versie is het vacuüm niet vlak; het is een landschap van heuvels en dalen, en het universum moet een "dal" vinden om in te rusten. Als het op een heuvel zit, zal het naar beneden rollen, wat leidt tot instabiliteit. Het doel is om de diepste, meest stabiele dalen in dit landschap te vinden.

In een recente studie hebben onderzoekers geprobeerd deze dalen in kaart te brengen voor een specifiek type snaartheorie die gecompactificeerd is op vormen genaamd tori. Stel je een torus voor als een doughnutvorm; in de natuurkunde kunnen we ons voorstellen dat de extra dimensies van de ruimte op deze vormen zijn opgerold. De onderzoekers concentreerden zich op doughnuts met één, twee, drie of vier gaten. Hun taak was om de specifieke configuraties te vinden waar de energie van het universum minimaal is, of tenminste op een punt ligt waar het niet direct wegrolt. Ze waren bijzonder geïnteresseerd in punten waar de krachten van de natuur, die gewoonlijk als eenvoudige, onafhankelijke lijnen werken, plotseling verbinding maken om complexe, krachtige structuren te vormen. Dit fenomeen wordt gauge-versterking genoemd, en het is cruciaal omdat het de soorten deeltjes en krachten bepaalt die in die versie van het universum bestaan.

Jarenlang hadden natuurkundigen voornamelijk gezocht naar de meest extreme versies van deze verbindingen, waarbij de krachten zo groot en complex worden als de theorie toelaat. Dit staat bekend als maximale versterking. De echte wereld die wij observeren heeft echter een specifieke, kleinere complexiteit in haar krachten. De onderzoekers in deze studie besloten elders te zoeken. In plaats van te jagen op de grootste mogbare structuren, zochten ze systematisch naar alle mogelijke stabiele punten, inclusincluding die met kleinere, niet-maximale verbindingen. Ze gebruikten een geavanceerde methode waarbij wiskundige roosters, genaamd lattices, werden gebruikt om deze punten te genereren. Door te focussen op de symmetrieën van het rechtsdraaiende deel van de impuls van de snaar, konden zij ervoor zorgen dat de gevonden punten inderdaad stabiel waren, zonder de krachten tot een maximaal niveau te dwingen.

De resultaten van deze zoektocht waren omvangrijk en verrassend. Het team identificeerde duizenden verschillende stabiele punten in het landschap van mogelijkheden. De meeste van deze punten vertoonden niet-maximale versterkingen, wat betekent dat de krachten van de natuur verbonden waren op manieren die significant waren, maar niet de absolute maximum toegestaan door de theorie. Dit is een cruciale bevinding omdat het suggereert dat een grote verscheidenheid aan universa met verschillende krachtstructuren mogelijk is, en niet alleen de enkele, meest extreme casus. Van de duizenden punten die zij vonden, waren er enkele honderden vrij van de gevaarlijke tachyons die een universum zouden doen instorten. Nog veelbelovender was dat enkele tientallen van deze stabiele, tachyon-vrije punten geen "mesranden" waren. In het landschap van mogelijkheden is een mesrand een punt dat stabiel lijkt, maar in werkelijkheid zo fragiel is dat de kleinste verandering het uit elkaar zou laten vallen. De onderzoekers ontdekten dat hun beste kandidaten robuust genoeg waren om dergelijke veranderingen te weerstaan.

Het team onderzocht vervolgens de stabiliteit van deze punten door de kromming van het landschap rondom hen te berekenen. Ze ontdekten dat geen van deze punten perfecte, diepe dalen waren waar het universum voor eeuwig in volmaakte stilte zou rusten. In plaats daarvan waren het allemaal punten waar het universum uiteindelijk zou bewegen, zij het misschien zeer langzaam. Toen zij deze bevindingen toepasten op een specifief model van het universum met een driedimensionale ruimte en een sfeer, ontdekten zij dat de stabiliteitsvoorwaarden die door de theorie vereist worden, geschonden werden. Dit betekent dat hoewel deze punten in een beperkte zin stabiel zijn, ze niet de definitieve, permanente rustplaatsen voor het universum zijn. Verder controleerden de onderzoekers deze punten tegenover een moderne hypothese over de aard van donkere energie, bekend als de de Sitter-conjectuur. Zij vonden dat de punten met positieve energie deze conjectuur voldeden, wat suggereert dat het gedrag van deze niet-supersymmetrische universa overeenkomt met ons huidige begrip van de expansie van het universum.

Dit werk beweert niet de exacte configuratie van ons eigen universum te hebben gevonden, maar het heeft een deur geopend naar een veel rijker landschap van mogelijkheden. Door af te stappen van de aanname dat de natuur moet kiezen voor de meest extreme, maximale verbindingen, hebben de onderzoekers een uitgestrekt gebied van stabiele, niet-supersymmetrische universa onthuld. Ze hebben aangetoond dat er duizenden manieren zijn waarop de extra dimensies van de ruimte kunnen oprollen om een stabiele, tachyon-vrije werkelijkheid te creëren. Hoewel de specifieke punten die zij vonden geen perfecte, permanente minima zijn, bieden ze een concreet pakket aan voorbeelden om te bestudelen. Dit stelt natuurkundigen in staat om te onderzoeken hoe een universum zonder supersymmetrie zou kunnen gedragen, wat een nieuwe weg biedt naar het begrijpen van de fundamentele structuur van de werkelijkheid wanneer de gebruikelijke regels van symmetrie niet van toepassing zijn. De studie bevestigt dat zelfs zonder het beschermende schild van supersymmetrie, het universum stabiele grond kan vinden, en dat de variëteit aan mogelijke stabiele werelden veel groter is dan voorheen werd aangenomen.