Исследователи решают проблему размерности пространства-времени

Исследователи из университетов Валенсии и Флоренции предлагают подход к экспериментальным данным, получаемых на Большом адронном коллайдере (БАК), который решает проблему бесконечности, не нарушая четыре измерения пространства-времени.

Теории, используемые в настоящее время для интерпретации данных, получаемых на БАК, из которых до сих пор наиболее замечательным было открытие бозона Хиггса, плохо определены в четырех измерениях пространства-времени, установленных Эйнштейном в его специальной теории относительности. Для того чтобы избежать бесконечностей, которые появляются в этих теориях в результате расчетов, используют математической трюк и добавляют новые размерности, что хотя и эффективно, но не отражает то, что мы теперь знаем о нашей Вселенной.

Теперь же группа исследователей из Института корпускулярной физики (IFIC, CSIC-UV) в Валенсии разработала способ обойти бесконечности и сохранить теорию в пределах четырех стандартных измерений пространства-времени.

Суть вопроса заключается в том, что теоретически возможное рождение частиц с нулевой энергией при столкновениях в LHC не следует путать с другим проблемным теоретическим рождением частиц с нулевой массой. Подобная проблема возникает тогда, что если две частицы излучаются точно в одном направлении, то они неотличимы от одной частицы. Еще одна из проблем, связанных с существующими теориями, вытекает из необходимости применения квантовых поправок к расчетам, которые требуют, чтобы правильная теория могла быть экстраполирована на бесконечные энергии, никогда не достигаемые в ускорителе частиц. Однако эти ситуации трудно согласовать с теорией и это имеет цену: вопрос о бесконечности в четырех измерениях пространства-времени. Бесконечности не очень хорошо работают с теоретическими предсказаниями.

Как уже упоминалось выше, решение, найденное в 1972 году лауреатами Нобелевской премии Герардусом т'Хоофтом и Мартинусом Велтманом, должно было изменить размерность пространства-времени. Известное как размерная регуляризация, оно состоит из определения теории в пространстве-времени, которое имеет более четырех измерений. Таким образом, бесконечности, которые возникают в четырех измерениях, становятся вкладами, которые зависят от разности размерностей по отношению к четырем. Это математический трюк, который применяется к этим бесконечностям на промежуточных этапах вычислений, позволяя сделать предсказания, которые иначе было бы невозможно получить.

Но сегодня группа исследователей из Университета Валенсии во главе с Германом Родриго (Germán Rodrigo) разработала новый подход, который переопределяет теорию таким образом, чтобы избежать проблемы бесконечности и оставаться в пределах четырех стандартных измерений пространства-времени. Это влечет за собой фундаментальное изменение в способах предсказаний, используемых для интерпретации полученных на БАК экспериментальных данных, лежащих в основе упрощения расчетов и решения одной из главных проблем, с которыми сталкиваются физики элементарных частиц при переходе от теории к эксперименту.

Их подход основан на установлении прямого соответствия между различными диаграммами Фейнмана, которые генерируют бесконечности. Эти диаграммы, предложенные лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом в 1965 году, используются физиками для графического представления столкновений, происходящих между субатомными частицами при очень высоких энергиях в больших ускорителях элементарных частиц, таких как БАК.

Известное как "дуальность петля-дерево", это новое отношение соответствия, разработанное исследователями IFIC в сотрудничестве с исследовательской группой под руководством Стефано Катани (Catani Catani) из Университета Флоренции, унифицирует квантовые состояния, которые, для теоретических целей отличаются, но не отличаются для экспериментальных данных, как было прокомментировано выше.