Vassare metoder ska bidra till ny förståelse av gravitationsvågor och svarta hål

Upptäckterna av gravitationsvågor och Higgspartikeln har öppnat för ny kunskap om universums fundamentala ramverk. Inom de närmaste åren väntas fler resultat om bland annat svarta hål. Men för att kunna utnyttja den nya potentialen måste de teoretiska fysikerna ta fram vassare beräkningsmetoder och bättre matematiska beskrivningar av extrema processer.

Projektanslag 2018

From Scattering Amplitudes to Gravitational Waves

Huvudsökande:
Dr. Henrik Johansson

Medsökande:
Nordita
Paolo Di Vecchia

Lärosäte:
Uppsala universitet

Beviljat anslag:
19 100 000 kronor under fem år

Det gick som ett sus genom forskarvärlden när nyheten basunerades ut i februari 2016. Med hjälp av den uppgraderade LIGO-detektorn hade forskare upptäckt gravitationsvågor i form av spåren från två kolliderande svarta hål. Nyheten kom nästan exakt hundra år efter Einsteins förutsägelse och gav en inblick i processer som ligger miljarder ljusår bort.

Henrik Johansson är forskare i partikelfysik vid Uppsala universitet.

­– En fantastisk upptäckt! De som var insatta i experimentets alla detaljer förstod att något var på gång, men för oss andra i forskarvärlden kom det som en överraskning.

Förvånande resultat om svarta hål

Genombrottet kom efter decennier av förhoppningar om att bekräfta Einsteins teorier angående gravitationsvågor. Undan för undan har man byggt alltmer avancerade detektorer och speglar. Nu finns anläggningar som med exceptionell noggrannhet kan mäta hur färdvägen för en laserstråle krymper och utsträcks igen när en gravitationsvåg passerar.

– Många var förvånade över att de svarta hålen var betydligt större än förväntat. Man hade föreställt sig att de skulle vara ett par gånger tyngre än solens massa, men istället var de 50 till 60 gånger större än solens massa.

Upptäckten av gravitationsvågor belönades med Nobelpriset 2017 och har öppnat ett nytt fönster mot universum. Inom de närmaste åren förutspås fler spännande resultat.

– Vi kommer att kunna lära oss mer om svarta hål och förstå neutronstjärnor bättre, bland annat vilken materia som finns inuti neutronstjärnorna. Kanske kommer vi också att kunna se gravitationsvågorna från det allra tidigaste universum efter Big Bang.

Effektivare metoder  

Men för att kunna dra nytta av de nya experimentella möjligheterna måste också den teoretiska sidan av fysiken utvecklas. Med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse leder Henrik Johansson ett projekt som går ut på att ta fram nya och effektiva analytiska metoder för teoretiska beräkningar i fundamental fysik. Han har på senare år etablerat en av världens ledande forskarmiljöer inom detta fält.

Projektet handlar inte bara om gravitationsteori utan även om partikelfysik och strängteori. Det kan tyckas vara rätt stor skillnad på att beräkna kollisioner av elementarpartiklar – som beskrivs av kvantmekaniska spridningsamplituder – och krockande svarta hål – som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin – men den underliggande matematiska beskrivningen är nästan identisk, säger Henrik Johansson.

Henrik gjorde redan för tio år sedan ett genombrott på området när han tillsammans med kollegor visade att man kan studera gravitationsfysik med samma matematik, så kallade Feynmandiagram, som ligger bakom mikroskopiska processer i partikelfysiken. Målet är nu att förenkla de beräkningsmetoder som direkt, eller indirekt, använder sig av dessa Feynmandiagram.

– Samma beräkningar som förr kunde sysselsätta en doktorand i flera år kan vi nu göra på mindre än en minut på svarta tavlan.

Dramatisk förenkling

En måttstock på de nyutvecklade moderna får man genom att studera en nyligen genomförd beräkning av en sorts gravitationsamplitud som kommer från en supergravitationsteori. Där utgår forskarna från Einsteins allmänna relativitetsteori, men lägger till extra partiklar för att få något som kallas supersymmetri.

– Och fastän vi då får fler partiklar än i Einsteins teori så förenklar de extra partiklarna beräkningarna eftersom de upphäver vissa termer. Detta gör att vi kan testköra komplicerade beräkningar innan vi tittar på Einsteins teori.

Forskarna lyckades uttrycka amplituden i 750 diagram där varje diagram hade mindre än 10 000 termer. Det kan låta mycket, men inte i jämförelse med standardmetoder, enligt Henrik.

– Om jag hade använt Feynmandiagrammen som kan härledas direkt från den allmänna relativitetsteorin, vilket man annars brukar använda, så hade det krävts långt mer än 10 000 diagram och varje diagram skulle ha haft mer än en miljon termer – en omöjlig beräkning. Vi lyckades alltså göra det omöjliga möjligt!

Krävs en ny nivå av teoretisk fysik

Men det krävs en fortsatt utveckling av effektivare analysmetoder. De nya experimentella gravitationsvågsdetektorerna går mot en allt högre upplösning och ökad precision, vilket gör dagens teoretiska nivå otillräcklig.

– Vi måste komma upp till sjätte ordningen i den så kallade störningsteorin och hittills är vi knappt halvvägs. För varje ordning så blir det också svårare och svårare. Därför måste forskare, postdoktorer och doktorander sätta sig ner och försöka förbättra de här beräkningarna.

En utveckling av de teoretiska förutsägelserna är nödvändig om det ska vara någon vits att förbättra själva designen på experimenten.

– Om inte teoretiker gör sitt jobb och utför beräkningarna så finns heller ingen poäng med att göra experimenten bättre, konstaterar Henrik Johansson.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström

 

Mer om Henrik Johanssons forskning