Forskere bruger S-matrix bootstrap til at undersøge, om strengteori er den eneste konsistente teori om kvantetyngdekraft

S-matrix bootstrap er en numerisk metode, der kan bruges til at bestemme eller begrænse spredningsamplituderne af partikler i kvantefeltteori ved hjælp af simple principper. I løbet af de sidste årtier har nogle fysikere har forsøgt at bruge denne teknik til at studere forskellige fysikteorier og fænomener.

Forskere ved Tel Aviv Universitet, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og Perimeter-instituttet og ICTP-SAIFR har udviklet S-matrix bootstrap yderligere og forsøgt at anvende det på forskellige fysikområder. I en nylig artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , holdet forsøgte at bruge det til at undersøge strengteori, den berømte fysikteori, der repræsenterer universets grundlæggende komponenter som endimensionelle (1D) 'strenge', i stedet for punktlignende partikler.

"S-matrix bootstrap er en gammel idé, der var populær i 60'erne, men mistede popularitet med fremkomsten af ​​kvantekromodynamikken for at beskrive den stærke kernekraft, " Andrea Guerrieri, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Målet med S-matrix bootstrap er at bestemme (eller begrænse) spredningsamplituderne af partikler i kvantefeltteori ved hjælp af blot grundlæggende principper, såsom kausalitet, speciel relativitetsteori og det faktum, at sandsynligheder ikke kan være større end 1. Den nyhed, vi bragte til emnet, var forslaget om en systematisk numerisk algoritme til at implementere alle disse principper."

Mens der nu er et par snesevis af tidligere artikler, der udforsker fysiske systemer ved hjælp af forskellige versioner af S-matrix bootstrap, de fleste af disse værker fokuserer på massive partikler. Guerrieri og hans kolleger, imidlertid, var for nylig også i stand til at bruge det til at studere spredning af masseløse partikler, såsom tværgående udsving i et farvefluxrør i kvantekromodynamik eller i masseløse pioner.

"Da vi først indså, at metoden virker for masseløse partikler, det var klart, at vi skulle prøve det for gravitons, som er formidlere af tyngdekraften, "João Penedones, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Derefter vi valgte at indføre supersymmetri i 10 rumtidsdimensioner for at reducere de tekniske forhindringer for problemet."

Det nylige arbejde udført af Guerrieri, Penedones og deres kollega Pedro Vieira anvender enhver teori om kvantetyngdekraft. I deres undersøgelse, imidlertid, de brugte specifikt S-matrix bootstrap til at undersøge strengteori og forsøgte at afgøre, om det er den eneste konsistente kvantetyngdekraftsteori.

"Einsteins teori om generel relativitet (GR) beskriver gravitationsinteraktionen på lange afstande eller (ækvivalent) lav energi, " sagde Penedones. "F.eks. det kan bruges til at beregne, hvordan to gravitoner med stor bølgelængde (meget større end Planck-længden) spredes fra hinanden. Imidlertid, hvis vi formindsker bølgelængden på et tidspunkt, vi kan ikke stole på forudsigelsen af ​​GR. Faktisk, GR's forudsigelse vil give sandsynligheder større end 1."

For at forbedre pålideligheden af ​​GR's forudsigelser, teorien skal korrigeres ved korte afstande/bølgelængder eller, tilsvarende, ved høj energi. Denne korrektion omtales typisk som en 'ultraviolet (UV) afslutning'.

"Vi siger ofte, at en teori om kvantetyngdekraft er en UV-fuldførelse af GR, " sagde Guerrieri. "I vores seneste avis, vi undersøgte den første korrektion til GR-forudsigelserne i den lave energigrænse. Dette er, hvad parameteren alfa i vores papir står for. "

Strengteori er en kendt teori om kvantetyngdekraft. Især i strengteori, alfa-parameteren beskrevet af forskerne kan antage et bestemt sæt værdier.

"I strengteori, alfa er relateret til spændingen af ​​grundstrengen (i Planck-enheder), "Vieira forklarede. "Det, vi satte os for at udforske i dette papir, var at være agnostiske med hensyn til, hvad der er teorien om kvantetyngdekraften, som beskriver den virkelige verden og blot spørge, hvilke værdier af alfa en sådan teori kunne producere."

Overraskende nok, forskerne fandt ud af, at de alfa -værdier, som en tyngdekraftsteori, der beskriver den virkelige verden, kunne have, ifølge S-matrix bootstrap numeriske beregninger, var nøjagtig de samme værdier produceret af strengteori. Selvom disse resultater kunne have interessante implikationer, deres undersøgelse havde et par begrænsninger, der kan påvirke dens gyldighed.

"Det første forbehold ved vores arbejde er, at den metode, vi brugte, er numerisk; den brugte computerklynger til at scanne over et stort sæt spredningsamplituder og ekstrapolere til det fulde rum af konsistente spredningsamplituder, " sagde Vieira. "Denne ekstrapoleringsprocedure kommer med en vis usikkerhed. Så, vi finder, at alfa> 0,13 ± 0,02 med en estimeret fejllinje. Strengteori ville tillade enhver alfa> 0,1389, hvilket er (inden for fejlbjælkerne) smukt lige på vores grænse."

I fremtidige undersøgelser, forskerne håber at reducere den numeriske fejl forbundet med S-matrix bootstrap, de brugte til at afgøre, om resultaterne forbliver uændrede. En anden begrænsning ved deres undersøgelse er, at den brugte en forenklet opsætning, da deres undersøgelse specifikt var i 10 dimensioner og i nærvær af supersymmetri. Den virkelige verden, imidlertid, er firedimensionel og supersymmetri er endnu ikke blevet observeret eksperimentelt i den.

"Stadig, vi synes, at 10d med supersymmetri er et godt udgangspunkt for sådanne udforskninger, "Guerrieri sagde." En grund til dette er, at superstrengsteori i 10d er enklest, og vi har skarpe forudsigelser at sammenligne vores tal med og en anden grund er, at vi med supersymmetri kan relatere gravitoner - som er vanskelige objekter at tæmme matematisk på grund af deres spinnende natur - til enklere supersymmetriske partnere, som ikke spinder."

Det vigtigste forskningsspørgsmål, som forskerne undersøgte i deres nylige undersøgelse, var, om strengteori er den eneste konsistente teori om kvantetyngdekraft. Selvom de ikke var i stand til at besvare dette spørgsmål med sikkerhed, deres resultater viser, at S-matrix bootstrap kunne hjælpe med at løse det. I fremtiden, Guerrieri, Penedones og Vieira vil gerne gentage deres beregninger uden at inkludere supersymmetri og i lavere rumtidsdimensioner.

"Indtil nu, vi fandt ud af, at alfaværdierne, der er tilladt af generelle principper, falder sammen med dem, der er realiseret i strengteori, " sagde Vieira. "Dette er foreneligt med et positivt svar på spørgsmålet ovenfor, men det er et svagt bevis. Imidlertid, i princippet, vi kan studere andre parametre, lad os kalde dem beta, gamma, etc., repræsenterer yderligere underledende korrektioner til forudsigelserne af GR ved lave energier. Der er en uendelighed af dem, som strengteori forudsiger. Hvis vi kan vise, at det tilladte interval for disse parametre fra S-matrix Bootstrap-principperne også falder sammen med String Theory, så vil beviserne være stærke."

© 2021 Science X Network