Uniwersytet Śląski w Katowicach

Precyzyjne obliczenia teoretyczne na potrzeby fizyki

Pomimo gwałtownego rozwoju technologii i nauki, w fizyce pozostaje wiele fundamentalnych pytań o naturę wszechświata, na które nie znamy odpowiedzi. Na przykład: czym jest tzw. ciemna materia; czym spowodowana jest asymetria między materią a antymaterią; dlaczego cząstki mają tak diametralnie różne masy; ile właściwie mamy rodzajów neutrin? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań zajmujących umysły fizyków na całym świecie, udzielić może planowany następca LHC – Wielkiego Zderzacza Hadronów (ang. Large Hadron Collider), czyli FCC – Przyszły Akcelerator Kołowy (ang. Future Circular Collider). Zderzacz kołowy, którego budowa rozważana jest na terenie CERN-u, miałby mieć obwód 100 km i przy wykorzystaniu najznakomitszych dostępnych technologii pozwoli na uzyskanie nawet 100 razy bardziej precyzyjnych pomiarów niż obecne. Jednakże sam eksperyment to za mało.

We współczesnej fizyce do dokonania odkrycia potrzebna jest współpraca teorii z eksperymentem. Bez przewidywań teoretycznych nie bylibyśmy w stanie dobrze zinterpretować wyników pomiarów, a co za tym idzie, cały projekt o łącznym koszcie kilku miliardów euro byłby po prostu bezużyteczny. Od strony teoretycznej potrzebne jest uzyskanie większej precyzji obliczeń. Poniżej ilustracja planowanego zderzacza FCC z zaznaczeniem obecnie funkcjonującego LHC o obwodzie 27 km.

Usytuowanie geograficzne akceleratorów LHC i FCC.
Zdjęcie z artykułu: „Theory goes forward to meet the FCC-ee strong experimental demands”,
Janusz Gluza & Alain Blondel, 2nd Apr 2018,
https://ep-news.web.cern.ch/content/theory-goes-forward-meet-fcc-ee-strong-experimental-demands#

Prywatne spostrzeżenia | Notka o zespole
Badania zespołu „Teoria i fenomenologia fizyki cząstek” w Instytucie Fizyki im. Augusta Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego, którego jestem liderem, prowadzone są w kilku kierunkach, z naciskiem na precyzyjne obliczenia efektów perturbacyjnych wyższego rzędu dla obserwabli elektrosłabych w LHC i przyszłych akceleratorach leptonów. W szczególności koncentrujemy się na działalności związanej z projektem FCC. Tematyka badawcza obejmuje: precyzyjne obliczanie parametrów i obserwabli Modelu Standardowego, fenomenologię rozszerzeń Modelu Standardowego oraz rozwój metod i narzędzi do obliczania wielopętlowych całek Feynmana.

Moja współpraca z CERN-em rozpoczęła się w 2013 roku, gdy prof. Stanisław Jadach z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie zatelefonował do mnie z informacją, iż powstaje nowy projekt w CERN-ie dotyczący przyszłych akceleratorów (chodziło o FCC) i moja praca jako teoretyka byłaby bardzo pomocna dla tego projektu. Wcześniej współpracowałem głównie z niemieckim ośrodkiem naukowym DESY. Tak się składało, iż rozpocząłem mniej więcej w tym samym czasie (2012 rok) wraz z dr. Tordem Riemannem (DESY) i jego doktorantem Johannem Usovitschem, prof. Ayresem Freitasem (University of Pittsburgh, USA) oraz dr. Ievgenem Dubovykiem (przez rok gościł wtedy w Katowicach w ramach sieci EU LHCPhenonet) prace nad dokończeniem obliczeń teoretycznych w ramach Modelu Standardowego do rozpadu bozonu Z, w drugim rzędzie rachunku zaburzeń. Optymistycznie liczyliśmy, iż metodę, którą opracowaliśmy (obliczanie całek Feynmana w reprezentacji Mellin-Barnesa), da się szybko zastosować do tych obliczeń. W sumie skończyliśmy pracę dopiero sześć lat później, w 2018 roku. Niestety poważne projekty wykraczające poza obecny stan wiedzy siłą rzeczy są bardzo czasochłonne. W sumie jednak warto podejmować ryzyko wykonania takich prac, których owocem są ważne publikacje wchodzące do kanonu literatury danej dziedziny.

Obecnie w zespole pracuje grupa uzdolnionych, pełnych zaangażowania naukowców; adiunkci: dr Bartosz Dziewit i dr Ievgen Dubovyk, doktoranci: Wojciech Flieger, Krzysztof Grzanka i Magdalena Kordiaczyńska, studenci Karolina Skrzydelska i Szymon Zięba. Współpracujemy z naukowcami z USA, Niemiec, Indii. Realizujemy zadania naukowe, między innymi w ramach projektów badawczych Narodowego Centrum Nauki, których tematyka jest ściśle powiązana z CERN-em:

• niestandardowe neutrina i efekty łamania symetrii CP w sektorze leptonowym – w trakcie realizacji,
• rezonans bozonu Z w trzech pętlach i efekty Nowej Fizyki – w trakcie realizacji,
• rozwinięcie i zastosowanie narzędzi do rachunków pętlowych oraz fenomenologia modeli niestandardowych w akceleratorach nisko i wysokoenergetycznych – zakończony,
• fenomenologia niestandardowych bozonów Higgsa, grant w ramach konkursu Preludium mgr Magdaleny Kordiaczyńskiej – zakończony.

Naszym obecnym priorytetem jest wykonanie kolejnych obliczeń teoretycznych i pełna konfrontacja teorii z danymi eksperymentalnymi, które w akceleratorze FCC będą nieraz 100-krotnie precyzyjniejsze od dotychczas dostępnych danych. Obliczenia te zajmą z pewnością następne kilka lat. Już wiemy, iż stosowane do tej pory metody obliczeniowe nie są wystarczające, i rozwijamy kolejne podejście, w którym tzw. całki Feynmana obliczamy przy pomocy… układu równań różniczkowych.

Jak to określił Isaac Newton w liście z roku 1675 dotyczącym swoich odkryć: „Jeśli widziałem dalej, to dzięki staniu na ramionach gigantów”. Opieranie się na wiedzy tworzonej przez pokolenia, korzystanie z osiągnięć wybitnych naukowców prowadzi do kreatywności, innowacji i rozwoju. Współpracując z wybitnymi, światowej klasy teoretykami i eksperymentatorami, mam nieodparte wrażenie udziału w złożonych, ponadczasowych projektach i przyczynianie się do tego, iż Uniwersytet Śląski jest rozpoznawalny jako ośrodek naukowy w kraju i na świecie, co daje niemałą satysfakcję. W Instytucie Fizyki im. Augusta Chełkowskiego staramy się włączać studentów i doktorantów w tego typu ważne badania naukowe, realizowane w ramach współpracy międzynarodowej. Na podstawie umowy pomiędzy UŚ i CERN w latach 2017–2023 teoretycy z Uniwersytetu Śląskiego mają możliwość realizacji wyjazdów naukowych do CERN-u. Działania naukowe grupy są również wspierane finansowo przez Narodowe Centrum Nauki w ramach uzyskanych grantów. Krótki opis jednego z nich, realizowanego w latach 2017–2021, znajduje się na stronie: www.ncn.gov.pl.
W ten sposób próbujemy wspólnie odkrywać tajemnice wszechświata i nakreślać nowe kierunki rozwoju. Praca z młodymi, ambitnymi naukowcami powoduje, że z pasją i niesłabnącym zaangażowaniem planujemy kolejne projekty, licząc na przyczynienie się do spektakularnych odkryć w fizyce mikroświata i wysokich energii.