Strängteori och kvantfältteori

Joseph Minahan vid teoretisk fysik tilldelades 4,2 miljoner i projektmedel för perioden 2016-2020 vid Vetenskapsrådets stora utlysning i naturvetenskap och teknikvetenskap för projektet ”Strängteori och kvantfältteori”.

Projektbeskrivning

Gravitationen är den mest välbekanta av naturens krafter. Överraskande nog är det samtidigt den som vi förstår sämst. Einstein beskriver gravitationsfältet som en deformation av rummet och tiden, så att ett fallande föremål rör sig längs den kortaste vägen i den krökta rumtiden.

Kvantmekaniken gör gällande att om vi kunde mäta extremt små avstånd, skulle vi upptäcka att själva rumtiden börjar dallra och skaka. I traditionella gravitationsteorier saknas en övre gräns för skakningarnas styrka. I stället blir skakningarna allt våldsammare ju kortare avstånd vi når, för att slutligen slita rumtiden i stycken! Man förväntar sig att denna sjukdom kan botas av strängteori. I strängteorin är universum uppbyggt av oerhört små endimensionella objekt som kallas för strängar.

Märkligt nog leder antagandet om att naturens partiklar är små strängslingor med nödvändighet till att man också måste ha en gravitationskraft. I själva verket är det en av strängarna, gravitonen, som förmedlar gravitationskraften. Om man hade ett mycket kraftfullt mikroskop, skulle man kunna se att gravitonen inte är en partikel, utan ett utsträckt objekt. Denna uttöjning av gravitonen slätar ut gravitationskraften, vilket i sin tur slätar ut rumtidens krökning, och löser därmed vårt problem. Vårt projekt behandlar den egenskap hos strängteori som kallas för holografi. Denna princip slår fast att en gravitationsteori i en rumtid är ekvivalent med en annan teori, utan gravitation, som existerar på rumtidens kant. Denna överraskande egenskap leder oss till slutsatsen att teorin för den starka växelverkan, den kraft som håller samman protonerna och neutronerna i atomkärnan, kanske är ekvivalent med en strängteori i en krökt rumtid.

Syftet med vårt projekt är att lära oss mer om denna ekvivalens och bestämma dess fysikaliska konsekvenser. När vi studerar den här kopplingen mellan strängteori och icke-gravitationell fysik, upptäcker vi intressanta samband med andra områden inom fysiken. Vårt projekt har till exempel upptäckt ett överraskande samband mellan en supersymmetrisk gaugeteori, en teori besläktad med den starka växelverkan, och fysiken för en ferromagnet. Vidare kan fysiken för just denna ferromagnet lösas exakt, vilket gör det möjligt att bestämma vissa storheter i gaugeteorin exakt. Vårt projekt kommer också att studera hur strängar i krökta rum interagerar med varandra. Sådana resultat kan sedan användas för att förutsäga de korta avstånd egenskaperna hos gaugeteorier. I detta projekt kommer vi aktivt att fortsätta studiet av dessa och andra frågor.