Die Forscher lösen das Problem der Dimensionen der Raumzeit in Theorien, die sich auf den Large Hadron Collider beziehen

Die Theorien, die derzeit zur Interpretation der Daten aus dem Large Hadron Collider (LHC) des CERN verwendet werden und die bisher vor allem zur Entdeckung des Higgs-Bosons geführt haben, sind in den von Einstein in seiner Theorie festgelegten vier Dimensionen der Raum-Zeit schlecht definiert der besonderen Relativitätstheorie. Um die Unendlichkeiten zu vermeiden, die sich aus den Berechnungen ergeben, die diese Theorien inspirieren, werden neue Dimensionen in einem mathematischen Trick hinzugefügt, der zwar effektiv ist, aber nicht das widerspiegelt, was wir jetzt über unser Universum wissen.

Nun hat eine Forschergruppe am Institut für Korpuskularphysik (IFIC, CSIC-UV) in Valencia einen Weg gefunden, um das Problem der Unendlichkeit zu umgehen und die Theorie innerhalb der vier Standarddimensionen der Raum-Zeit zu halten.

Der Kern des Problems liegt in der Tatsache, dass es theoretisch möglich ist, bei LHC-Kollisionen Teilchen mit null Energie zu erzeugen, und nicht mit einem anderen problematischen theoretischen Ergebnis von null Teilchenemissionen verwechselt zu werden. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn zwei Partikel in genau derselben Richtung erzeugt werden: Sie sind nicht von einem einzelnen Partikel zu unterscheiden. Ein weiteres Problem bei bestehenden Theorien ergibt sich aus der Notwendigkeit, Quantenkorrekturen auf ihre Berechnungen anzuwenden, was eine Extrapolation der Gültigkeit der Theorien auf unendliche Energien erfordert, die in einem Teilchenbeschleuniger niemals erreicht wurden. Diese Situationen sind jedoch schwer mit der Theorie zu vereinbaren und haben einen Preis: das Problem der Unendlichkeit in den vier Dimensionen der Raumzeit. Unendlichkeiten funktionieren nicht gut mit theoretischen Vorhersagen.

Wie oben erwähnt, bestand die Lösung, die 1972 von den Nobelpreisträgern Gerardus 't Hooft und Martinus J. G. Veltman gefunden wurde, darin, die Dimensionen der Raum-Zeit zu verändern. Bekannt als dimensionale Regularisierung, besteht es darin, die Theorie in einer Raumzeit zu definieren, die mehr als vier Dimensionen hat. Auf diese Weise werden die Unendlichkeiten, die in vier Dimensionen entstehen, zu Beiträgen, die von ihrem Dimensionsunterschied in Bezug auf vier abhängen. Es ist ein mathematischer Trick, der diese Unendlichkeiten in den Zwischenstufen der Berechnungen behandelt und Vorhersagen ermöglicht, die sonst unmöglich wären.

Heute hat eine Gruppe von Forschern der Universität Valencia unter der Leitung von Germán Rodrigo einen neuen Ansatz entwickelt, der die Theorie so neu definiert, dass die Unendlichkeitsfrage umgangen und innerhalb der vier Standarddimensionen der Raum-Zeit gehalten wird . Dies hat eine grundlegende Änderung in der Art und Weise zur Folge, wie die Vorhersagen zur Interpretation der experimentellen LHC-Daten erstellt werden. Dies vereinfacht die zugrunde liegenden Berechnungen und löst eines der Hauptprobleme, mit denen Teilchenphysiker beim Übergang von der Theorie zum Experiment konfrontiert sind.

Ihr Ansatz basiert auf der Herstellung einer direkten Korrespondenz zwischen verschiedenen Feynman-Diagrammen, die Unendlichkeiten erzeugen. Diese Diagramme, die 1965 vom Nobelpreisträger Richard P. Feynman vorgeschlagen wurden, werden von Physikern verwendet, um die Kollisionen zwischen subatomaren Partikeln bei sehr hohen Energien in großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC bildlich darzustellen.

Diese neue Korrespondenzbeziehung, die von IFIC-Forschern in Zusammenarbeit mit einer von Stefano Catani geleiteten Forschungsgruppe der Universität Florenz entwickelt wurde und als "Loop-Tree-Dualität" bekannt ist, vereint Quantenzustände, die theoretisch anders sind, experimentell aber nicht , wie die oben kommentierten.

Der neue Algorithmus wurde von dem IFIC-Forscher Germán Sborlini auf der Top-Teilchenphysik-Konferenz ICHEP 2016 vorgestellt, die Anfang August in Chicago stattfand. Es wurde auch in veröffentlicht Zeitschrift für Hochenergiephysik.