Från Spridningsamplituder till Gravitationsvågor

Henrik Johansson. Foto: Mikael Wallerstedt.

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse beviljade totalt 640 miljoner kronor i projektanslag för 2018 till 22 forskningsprojekt som bedömts hålla högsta internationella klass och ha möjlighet att leda till framtida vetenskapliga genombrott. Institutionen för fysik och astronomi var huvudsökande i två och medsökande i ett av projekten som tilldelades sammanlagt 78,5 miljoner kronor under fem år.

Projektbeskrivning

Huvudsökande: Henrik Johansson, avdelningen för teoretisk fysik
Projekttitel: Från Spridningsamplituder till Gravitationsvågor
Beviljade medel: 19 100 000 kronor under fem år

Målet med detta projekt är att utveckla nya effektiva analytiska metoder för teoretiska beräkningar i partikelfysik, gravitationsteori och strängteori, vilket innefattar processer alltifrån subatomära kollisioner mellan elementarpartiklar till astronomiska kollisioner mellan svarta hål. Att detta forskningsområde är strategiskt viktigt framgår av att två nyligen Nobelprisbelönade globala experiment – partikelacceleratorn LHC i Genève och gravitationsvågsdetektorerna LIGO i USA – är direkt beroende av precisa beräkningar av dessa två typer av extrema processer.

Även om avståndsskalorna för kollisioner mellan subatomära partiklar och de mellan svarta hål är svindlande olika så är den underliggande matematiska beskrivningen tämligen likformig. Kollisioner av elementarpartiklar beskrivs av kvantmekaniska spridningsamplituder och svarta hål beskrivs av den allmänna relativitetsteorin, och i modern teoretisk fysik kan båda dessa processer förstås matematiskt genom så kallade Feynmandiagram. Vårt mål är att förenkla beräkningsmetoderna som, direkt eller indirekt, använder sig av Feynmandiagram, och därmed samtidigt förenkla vår förståelse av de teorier som beskriver de fyra fundamentala naturkrafterna: elektromagnetism, svaga och starka kraften (som alla beskrivs av gaugeteorier), samt gravitationskraften.

Ett betydelsefullt genombrott i vår förståelse av gaugeteorier och gravitationsteorier gjordes 2008 av huvudsökande och två amerikanska kollegor, som kunde fastslå att dessa två typer av teorier har en underliggande identisk matematisk beskrivning. Feynmandiagrammen för gravitationskraften visade sig vara dubbelkopior av Feynmandiagrammen för gaugeteorier, vilka i sin tur beskrivs av en ny matematisk Liealgebra. Resultaten av denna forskning ledde till en ny global forskningsinriktning i teoretisk fysik, och alltsedan huvudsökande etablerade en forskningsgrupp i Uppsala hösten 2014, har Sverige varit ett betydande centrum inom detta fält. Det nu föreslagna projektet kommer att stärka Sveriges centrala roll inom denna forskning.

När LIGO-experimentet i september 2015 upptäckte de första gravitationsvågorna från kollisioner mellan svarta hål öppnades ett nytt fönster för observationer av universum. För att fullt ut nyttja denna nya möjlighet krävs det att både teoretiska beräkningsmetoder och experiment gör betydande framsteg. Metoderna som detta projekt kommer att utveckla är baserade på beskrivningen av gravitationskraften som en dubbelkopia av den starka kraftens växelverkningar. Forskargrupper i USA och Storbritannien har nyligen demonstrerat att matematiken bakom dubbelkopian har potential att revolutionera analytiska beräkningar som behövs för att modellera gravitationsvågor. Dock återstår mycket arbete; detta projekt kommer att använda en mångfald av metoder, bl.a. inspirerade av partikelfysik och strängteori, för att lösa problemen som återstår.

Detta kommer att vara ett femårigt samarbetsprojekt mellan avdelningen för teoretisk fysik vid Uppsala universitet och Nordiska institutet för teoretisk fysik (Nordita) i Stockholm. Inom projektet kommer det att anställas doktorander och postdoktorer med anknytning till båda institutionerna. Detta kommer inte bara att utgöra en stark forskningsmiljö för att uppnå målen i projektet, utan kommer också att ge nästa generation av forskare i Sverige möjlighet att arbeta på den teoretiska fysikens framkant.