科学|粒子碰撞的数学结构进入视野
当粒子物理学家尝试对实验建模时 ， 他们面临着不可能的计算-无限长的方程式 ， 这超出了现代数学的范围 。
本文插图
幸运的是 ， 他们可以生成非常准确的预测 ， 而无需完全了解这种神秘的数学运算 。 通过缩短计算时间 ， 欧洲核子研究组织（CERN）欧洲大型强子对撞机的科学家 ， 做出的预测与他们将近27公里的轨道发射的亚原子粒子相互冲撞时实际观察到的事件相匹配 。
不幸的是 ， 预测与观察之间达成一致的时代可能即将结束 。 随着测量变得越来越精确 ， 理论家用来做出预测的近似方案可能无法跟上 。
欧洲核子研究中心（CERN）的粒子物理学家克劳德·杜尔（Claude Duhr）说：“我们快要精疲力尽 。 ”
本文插图
但是 ， 由意大利帕多瓦大学的皮尔帕奥洛·马斯特罗利亚（Pierpaolo Mastrolia）和新泽西州普林斯顿高级研究所的塞巴斯蒂安·米塞拉（Sebastian Mizera） ， 领导的一队物理学家最近发表的三篇论文 ， 揭示了这些方程式的基本数学结构 。 该结构提供了一种将无限可能的术语折叠成几十个基本组件的新方法 。 他们的方法可能有助于带来更高水平的预测准确性 ， 如果理论家想超越领先但不完整的粒子物理学模型 ， 则迫切需要这些预测准确性 。
杜尔说：“他们已经提供了许多概念验证结果 ， 表明这是一种非常有前途的技术 。 ”
新方法通过直接计算"相交数"来绕过传统的数学方法 ， 一些人希望最终能够对亚原子世界进行更优雅的描述 。
本文插图
量子理论家麦吉尔大学的西蒙·卡隆-胡特（Simon Caron-Huot）说：“这不仅仅是数学 。 ”麦吉尔大学正在研究马斯特洛里亚和梅塞拉的著作的含义 。 “这是量子场论深深扎根的东西 。 ”无限循环
当物理学家对粒子碰撞进行建模时 ， 他们使用一种称为费曼图的工具 ， 这是理查德·费曼（Richard Feynman）在1940年代发明的简单示意图 。
本文插图
为了感受一下这些图 ， 请考虑一个简单的粒子事件：两次夸克进入 ， “碰撞”时交换单个胶子 ， 然后沿各自的轨迹弹开 。
在费曼图中 ， 夸克的路径用“腿（legs）”表示 ， 当粒子相互作用时 ， 它们合在一起形成“顶点（vertices）” 。 费曼（Feynman）制定了将这幅漫画转变成方程的公式 ， 该方程可计算事件实际发生的可能性：您为每条腿和每个顶点编写一个特定的函数（通常是一个涉及粒子质量和动量的分数） ， 并将所有乘积相加 。
本文插图
但是量子理论的黄金法则是考虑所有可能性 ， 而交换简单的胶子只是在两个夸克碰撞时可能发生的广阔场景中的一个 。 例如 ， 交换后的胶子可能会瞬间分裂成“虚拟”夸克对 ， 然后瞬间将其重构 。 进入两个夸克 ， 离开两个夸克 ， 但是中间可能发生很多事情 。 完整的会计处理 ， 意味着一个完美的预测 ， 将需要无限数量的图表 。 没有人期望完美 ， 但是提高计算精度的关键是在无数事件中走得更远 。
这就是物理学家陷入困境的地方 。
放大该隐藏中心涉及虚拟粒子——量子波动会微妙地影响每次互动的结果 。 像许多虚拟事件一样 ， 上面的夸克对的短暂存在是由带有闭合“环”的费曼图表示的 。 回路使物理学家感到困惑——它们是黑匣子 ， 会引入无限种情况的其他层次 。 为了计算循环所隐含的可能性 ， 理论家必须求助于求和运算 ， 称为积分 。 这些积分在多回路费曼图中占据了巨大的比例 ， 随着研究人员沿着这条直线前进 ， 并在更复杂的虚拟交互作用中折叠 ， 这些积分开始发挥作用 。
推荐阅读
![[白志峰]睡觉姿势有大学问](/renwen/images/defaultpic.gif)
- 科学|世界本来没有颜色？科学家发现大脑中的“调色板”机制
- 地球|哈勃：出现宇宙碰撞之前！“仙女银河”外围已撞上，影响地球吗？
- 科学|在太空中，免疫系统是否有影响？
- 科学|为什么没有人被暗物质杀死？
- 科学,黑洞|满怀期待，第一张黑洞视界照片！
- 科学,NASA|56年前的NASA航天器将坠落地球 不会构成威胁
- 科学|既然所有的生命都要死亡，那么生命的意义是什么？
- 科学|中国将发射超强卫星，功能领先多国，将于明年发射
- 科学|哈勃：出现宇宙碰撞之前！“仙女银河”外围已撞上，影响地球吗？
- 科学|中子的寿命到底有多长？多种方法试错，谜题亟待解决！