陽子を一緒に粉砕することは1つのことです.取り残されたがれきを科学的に理解することもまた別の問題です。
これは、世界最大かつ最も強力な粒子加速器であるラージ ハドロン コライダーを収容する研究所である CERN の状況です。そこでの衝突によって生成されたすべてのデータを理解するために、実験物理学者と理論物理学者は絶え間なく行ったり来たりしています。実験家は、ヒッグス粒子の正確な特性を測定するなど、ますます複雑な実験目標を考え出します。野心的な目標は、理論家が責任を負う精巧な理論計算を必要とする傾向があります。イタリアのパドヴァ大学の理論物理学者であるピエルパオロ・マストロリアは、実験物理学者の「希望リストは常に多くの複雑なプロセスでいっぱいです」と述べています。 「そのため、妥当な時間内に計算できるプロセスを特定しています。」
Mastrolia が言う「プロセス」とは、粒子が衝突した後に展開する一連のイベントのことです。たとえば、グルオンのペアは、一連の中間段階 (粒子が別の粒子に変形する) を経て結合し、ヒッグス粒子を形成し、それが崩壊してさらに多くの粒子になる可能性があります。一般に、物理学者はより多くの粒子が関与するプロセスを研究することを好みます。複雑さが増すと、今日の最良の理論では説明されていない物理的効果の検索が容易になるからです。しかし、パーティクルが追加されるたびに、より多くの計算が必要になります。
この計算を行うために、物理学者はファインマン ダイアグラムと呼ばれるツールを使用します。これは基本的に、棒線画のような外観を持つ計算デバイスです。粒子は、頂点で衝突して新しい粒子を生成する線で表されます。次に、物理学者は、実験が最初から最後までたどる可能性のあるすべての経路の積分を取り、それらの積分を足し合わせます。可能な経路の数が増えるにつれて、理論家が計算しなければならない積分の数が増え、個々の積分を計算する難しさが急激に増します。
研究したい衝突の種類を決定する際、物理学者には主に 2 つの選択肢があります。まず、初期状態 (入ってくる) と最終状態 (出る) で考慮したい粒子の数を決定します。ほとんどの実験では、2 つの入ってくる粒子と 1 ～ 10 個の出ていく粒子 (ファインマン ダイアグラムの「足」と呼ばれます) です。次に、考慮に入れる「ループ」の数を決定します。ループは、初期状態と最終状態の間で発生する可能性があるすべての中間衝突を表します。ループを追加すると、測定の精度が向上します。また、ファインマン ダイアグラムを計算する負担も大幅に増加します。一般的に言えば、ループと脚の間にはトレードオフがあります。より多くのループを考慮したい場合は、より少ない脚を考慮する必要があります。より多くの脚を検討したい場合は、数回のループに制限されます。
「ループを 2 回行った場合、出ていく [レグの] 最大数は 2 回です。 CERN の理論物理学者である Gavin Salam は次のように述べています。
物理学者はすでに、任意の数の粒子が出入りするツリー レベル (ゼロ ループ) および 1 ループ ダイアグラムの確率を計算するツールを持っています。しかし、それよりも多くのループを説明することは依然として大きな課題であり、最終的には LHC で達成できる発見の制限要因になる可能性があります.
「粒子を発見し、その特性、スピン、質量、角運動量、または他の粒子との結合を決定したい場合は、ループを使用した高次計算が必要になります」と Mastrolia 氏は述べています。
そのため、最近の記事「粒子衝突で見つかった奇妙な数」で説明した、ファインマン ダイアグラムと数論の間の新しいつながりに多くの人が興奮しています。数学者と物理学者が、2 つ以上のループの図から生成された値のパターンを特定できれば、計算ははるかに簡単になります。また、実験者は、最も関心のある種類の衝突を研究するために必要な数学を手に入れることができます。
