Spridningsamplituder för AdS-rummet

Projekttitel: Spridningsamplituder för AdS-rummet
Huvudsökande: Marco Chiodaroli, avdelningen för teoretisk fysik
Beviljade medel: 3 350 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Gravitationskraften och de övriga tre fundamentala krafterna har helt olika roller i den moderna fysikaliska förståelsen av världen. Gravitationskraften dominerar på längre avstånd samt bestämmer universums storskaliga struktur och evolution. De övriga fundamentala krafterna dominerar på korta längdskalor och påverkar, bland annat, hur partiklar beter sig i kollisioner såsom i partikelacceleratorn LHC i Genève.

Trots dessa ytliga skillnader har teoretiska fysiker kommit till insikt att gravitationsteorier och de övriga fundamentala krafternas teoribygge, så kallade gaugeteorier, karakteriseras av en gemensam struktur och liknande egenskaper. Detta gäller i synnerhet spridningsamplituder – matematiska kvantiteter som används för att beskriva växelverkningar, och som är nödvändiga för att matcha teoretiska förutsägelser med observationer från partikelacceleratorer. För en gravitationsteori är spridningsamplituder ett effektivt sätt att undersöka matematisk konsistens genom att formulera vissa grundläggande frågor om hur kraftbärarna växelverkar.

Strängteorin har nått framgång bland annat för dess förmåga att avslöja djupgående samband mellan amplituder i gravitationsteorier och gaugeteorier. Dessa samband har utvecklas ytterligare med den så kallade dubbelkopiametoden, vilken ger ett generellt ramverk för att uttrycka amplituder i gravitationsteorier och gaugeteorier med gemensamma byggstenar. Denna metod ger en direkt beräkningsmässig förbindelse mellan partikelfysik och gravitationsfysik. Dubbelkopiametoden har lett till ett genombrott i vår förmåga att utföra avancerade beräkningar för många olika gravitationsteorier. Metoden har också nyligen utnyttjats för att analysera gravitationsvågor, vilka nyligen har observerats av LIGO och liknande experiment. Emellertid är det inte helt klart huruvida dubbelkopiametoden endast speglar matematiska likheter mellan gaugeteorier och gravitationsteorier eller tyder på ett djupare fysikaliskt samband och förening mellan dessa två typer av teorier.

I en parallell forskningsinriktning har strängteorin visat att vissa gravitationsteorier formulerade i Anti-de Sitter-rummet är i hemlighet identiska med gaugeteorier formulerade på dess konforma rand, ett berömt resultat som kallas AdS/CFT-dualitet. På grund av detta samband kan fysiker nyttja en svagt växelverkande gravitationsteori för att studera en starkt växelverkande gaugeteori. Detta möjliggör så kallade holografiska beräkningar i en AdS-bakgrund. AdS/CFT-dualitet bedöms vara en av de viktigaste resultaten i den samtida forskningen inom teoretisk fysik. Det långsiktiga målet är att utveckla det till ett multiverktyg för att bättre förstå grundläggande egenskaper hos gaugeteorier och gravitationen samt att använda det för realistiska fysiska system som är starkt växelverkande, vilkas egenskaper är särskilt utmanande att analysera.

Om dubbelkopian är en allmän egenskap hos gravitationsteorier borde vi kunna utnyttja metoden bortom spridningsamplituder i Minkowskirummet. Mitt projekt syftar till att utveckla nya metoder som använder sig av dubbelkopian och som är anpassade för teorier i AdS-rummet. Dubbelkopian har stor potential att kunna betydligt förenkla holografiska beräkningar och följaktligen förbättra vår förståelse av starkt växelverkande gaugeteorier.

Projektet ska utveckla dubbelkopian genom att bygga vidare på min tidigare forskningserfarenhet med att generalisera dubbelkopian till bredare typer av teorier. Dubbelkopiametoden ger en fascinerande beskrivning som möjliggör att dekonstruera gravitationsfysik till enklare byggstenar från gaugeteori. Att ha två olika beskrivningar av samma fysikaliska process är en föredömlig situation eftersom egenskaper som är uppenbara i en beskrivning kan vara dolda i den andra.

Projektet syftar till att skapa ett övergripande ramverk för att studera gravitationsteorier i olika bakgrunder, samt att integrera verktyg och metoder från olika fält inom teoretisk fysik. Den förväntade nyttan med projektet inkluderar möjligheten av att skapa en enklare beskrivning av gravitationskraften samt upptäcka nya samband mellan två spännande forskningsområden som skördar mycket framgång inom teoretisk fysik: holografiska beräkningar och spridningsamplituder.