Science Made Simple: Wat is Symmetrie in de Natuurkunde?

Symmetrie in de natuurkunde onderzoekt het gedrag van deeltjes onder ruimtelijke, temporele en kwantumnummeromkeringen, waarbij zowel discrete als continue veranderingen betrokken zijn. Het vormt de basis van de consistentie van natuurwetten en de reproduceerbaarheid van experimenten, en heeft een grote invloed op moderne natuurkundige theorieën zoals supersymmetrie en het mogelijk onthullen van nieuwe deeltjes en krachten. Credit: SciTechDaily.com

In de natuurkunde verwijst symmetrie naar hoe deeltjes zich gedragen wanneer ruimte, tijd of kwantumnummers worden omgekeerd. We zijn gewend om eenvoudige vormen van symmetrie te zien in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld, een menselijk gezicht is bijna symmetrisch wanneer het links naar rechts wordt weerspiegeld. Maar een gezicht is compleet asymmetrisch wanneer het van boven naar beneden wordt weerspiegeld - het bovenste deel van een gezicht ziet er niet hetzelfde uit als het onderste. Kleine veranderingen kunnen symmetrie doorbreken. Bijvoorbeeld, een gezicht met een moedervlek op een wang zou de linker-rechtssymmetrie doorbreken.

Symmetrie in de natuurkunde gaat over meer dan alleen uiterlijk en vorm. Dit staat in contrast met symmetrie in de biologie, waar vaak wordt gesproken over symmetrie bij het bespreken van hoe organismen eruitzien en hoe hun lichamen zijn gerangschikt.

Symmetrie in de natuurkunde kan verwijzen naar de ongevoeligheid van de wetten van de natuur voor veranderingen in de identiteit of eigenschappen van bepaalde elementaire deeltjes. Symmetrie kan ook veranderingen betekenen in wat lijkt op abstracte wiskundige beschrijvingen van de natuur.

Een klokgezicht is een voorbeeld van pariteitstransformatie. Het uiterlijk en gedrag van het klokgezicht als het coördinatensysteem wordt omgekeerd, is een test van symmetrie. Deze afbeelding laat zien hoe de klok eruitziet en functioneert als deze in een spiegel wordt weerspiegeld. Credit: Nathan Clarke, Departement van Energie Office of Science

Symmetrie verwijst vaak naar hoe de natuur zich gedraagt wanneer deeltjes worden uitgewisseld met hun antideeltjes (genaamd “laadconjugatie”), wanneer coördinaten worden omgekeerd zoals in een spiegel (genaamd “pariteitinversie”), of wanneer de tijd wordt omgekeerd (het “film” achteruit laten afspelen). Fysici noemen deze drie symmetrieën C (voor lading), P (voor pariteit) en T (voor tijd). De zogenaamde CPT-symmetrie is discreet - het gebeurt in stappen.

Fysici contrasteren discrete symmetrie met continue symmetrie, waar er geen stappen zijn tussen veranderingen in symmetrie. Een voorbeeld is rotatiesymmetrie zoals het draaien van een cirkel. Anders dan bij het draaien van een vierkant, zijn er geen punten waarbij het draaien van een cirkel de symmetrie doorbreekt.

Voor wetenschappers is translationele symmetrie in tijd en ruimte vooral belangrijk. Translationele symmetrie betekent dat de natuurwetten die door de ene persoon op een bepaald moment en op een bepaalde plaats worden gemeten, niet zullen veranderen als ze worden gemeten door een andere persoon op een ander moment en op een andere plaats. Zonder deze symmetrie zouden de natuurwetenschappen en de universele natuurwetten niet werken. Met andere woorden, symmetrie in tijd en ruimte is wat experimenten reproduceerbaar maakt en wetenschap mogelijk.

Het begrijpen van symmetrieën en gebroken symmetrieën is belangrijk voor het begrijpen van de fysische eigenschappen van materie en ons universum.

Veel van de ontwikkelingen in de natuurkunde van de afgelopen enkele honderden jaren zijn gebaseerd op een groeiend besef van het belang van symmetrie bij het genereren van theorieën over de natuur. Als wetenschappers correct kunnen afleiden welke symmetrieën geldig zijn, kunnen ze meer te weten komen over wat voor soort dingen mogelijk zijn in de natuur, vooral met subatomaire deeltjes. Veel theorieën die proberen het standaardmodel van de deeltjesfysica te verbeteren, steunen op symmetrie als een richtinggevend principe. Bijvoorbeeld, de supersymmetrie-theorie stelt dat alle deeltjes in het Standaardmodel een symmetrische partner hebben. Aan de andere kant, als wetenschappers een symmetrie zien die wordt doorbroken terwijl ze dat niet hadden verwacht, kan die bevinding wijzen op mogelijke nieuwe manieren waarop de natuur zich gedraagt. Dat kan nieuwe deeltjes en nieuwe krachten omvatten.

De zoektocht naar de fundamentele symmetrieën van de natuur is zo'n diepe en brede vraag dat het natuurkundigen met verschillende expertises engageert vanuit vier van de programma's in het Departement van Energie Office of Science.

Deze programma's omvatten Basic Energy Sciences (BES), High Energy Physics (HEP), Nuclear Physics (NP) en Advanced Scientific Computing Research (ASCR).

BES ondersteunt technieken om nieuwe materialen op atomaire niveau te synthetiseren en karakteriseren. Deze materialen vertonen vaak gebroken symmetrieën die leiden tot een dieper wetenschappelijk begrip en nieuwe functionaliteit met potentieel impact voor de energiemissie van het DOE.

NP ondersteunt natuurkundigen die geavanceerde technieken toepassen om te zoeken naar gebroken symmetrieën voor neutronen, protonen en verschillende nucleaire isotopen. NP ondersteunt ook inspanningen om te zoeken naar een nog niet waargenomen nucleaire verval dat bekend staat als neutrino-loze dubbele bètaverval. Waarneming van dit verval zou laten zien dat materie in het laboratorium wordt gecreëerd zonder enige tegenbalancerende antimaterie, een gebroken symmetrie die essentieel is om te begrijpen waarom het universum genoeg materie heeft waarin wij kunnen bestaan.

HEP supports physicists searching for ways that symmetry can be violated by using the Deep Underground Neutrino Experiment, the Large Hadron Collider, and other experiments. Meanwhile, ASCR supports the computer theory, hardware, and software scientists needed to conduct and interpret such data-rich experiments.