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Mathematik: Der Teilchen-Code

Im größten Beschleuniger der Welt prallen Partikel nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander. So entstehen enorme Datenmengen, die Physiker nach unerwarteten Ereignissen durchforsten. ­Dafür müssen die Wissenschaftler genau verstehen, was gängige Theorien vorhersagen – doch das ist alles andere als einfach.
LHC-Simulation einer Proton-Proton-Kollision

Der Large Hadron Collider (LHC) in Genf ist die größte Maschine, die die Menschheit je gebaut hat. Die dort beschleunigten Protonen sind nur um ein millionstel Prozent langsamer als das Licht. Prallen die Teilchen bei dieser Schwindel erregenden Geschwindigkeit aufeinander, explodieren sie regelrecht: Sie zerfallen in ihre Bestandteile, Quarks und Gluonen, die sich anschließend zu neuen Teilchen zusammenfügen.

Auf diese Weise kamen die Wissenschaftler am CERN 2012 zu ihrem bislang bedeutendsten Ergebnis. Sie wiesen das lang ersehnte Higgs-Boson nach, das letzte fehlende Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Physiker hoffen allerdings, dass der LHC bald etwas wirklich Neues findet: bisher unbekannte Partikel, die zum Beispiel das Geheimnis der Dunklen Materie lüften oder Lösungen für andere offene Fragen bieten.

Dazu wühlen sie sich jährlich durch 30 Petabyte an Daten, die während der Experimente entstehen. Sie suchen nach winzigen Abweichungen zu den gängigen Theorien, was auf neue physikalische Phänomene hindeuten würde. Dazu muss man natürlich wissen, was das Standardmodell genau vorhersagt.

Da kommen Theoretiker wie ich ins Spiel. Physiker können durch ihre Versuche nur Fragen beantworten, die mit Wahrscheinlichkeiten zu tun haben. Zum Beispiel: Wie groß ist die Chance, dass zwei Protonen aufeinanderprallen? Wie häufig entsteht dabei ein Higgs-Boson …

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  • Quellen

Bourjaily, J. L. et al.: Elliptic double-box integrals: massless scattering amplitudes beyond polylogarithms. Physical Review Letters 120, 2018

Bourjaily, J. L. et al.: Rationalizing loop integration. Journal of High Energy Physics, 2018

Broedel, J. et al.: Elliptic symbol calculus: from elliptic polylogarithms to iterated integrals of Eisenstein series. Journal of High Energy Physics, 2018

Del Duca, V. et al.: The Two-Loop Hexagon Wilson Loop in N = 4 SYM. Journal of High Energy Physics, 2010

Dixon, L. J. et al.: Bootstrapping six-gluon scattering in planar N=4 super-Yang-Mills theory. ArXiv 1407.4724, 2014

Dixon, L. J. et al.: Bootstrapping the three-loop hexagon. Journal of High Energy Physics, 2011

Goncharov, A. B. et al.: Classical polylogarithms for amplitudes and Wilson loops. Physical Review Letters 105, 2010