Zusammenarbeit zwischen Gravitationswellen-Astronomie und Teilchenphysik wird etabliert

1. September 2020

Die Abteilungen von Professor Alessandra Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI)) und Professor Zvi Bern (Mani L. Bhaumik Institute for Theoretical Physics (University of California in Los Angeles, UCLA)) werden bei der Entwicklung von Wellenformmodellen für zukünftige Gravitationswellendetektoren zusammenarbeiten. Der Wissenschaftler Dr. Justin Vines wird den Spagat zwischen Teilchenphysik an der UCLA und Gravitationswellenmodellierung am AEI leisten. Für die nächsten zwei Jahre wird er am AEI tätig sein, anschließend wechselt er zur UCLA. Um die Zusammenarbeit der Forschenden in Potsdam und Los Angeles zu gewährleisten, sind langfristige Besuche an beiden Institutionen geplant. Ziel ist es, durch den Einsatz fortschrittlicher Rechentechniken aus der Quantenfeldtheorie immer genauere Modelle für Gravitationswellenformen zu entwickeln. Damit sollen weitere Entdeckungen mit den immer empfindlicher werdenden Gravitationswellendetektoren ermöglicht werden.

Die Streuung Schwarzer Löcher kann als eine teilchenartige Wechselwirkung behandelt werden, bei der die Schwarzen Löcher Gravitonen austauschen. Durch die Berechnung der Quantenstreuamplituden können Forschende wichtige Informationen über die Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern, die Gravitationswellen abstrahlen, gewinnen.

„Leistungsfähige theoretische Methoden zur Vorhersage der Ergebnisse von Streuprozessen von Elementarteilchen, wie sie am Large Hadron Collider am CERN beobachtet wurden, werden nun auch auf die Modellierung von Gravitationswellen aus astronomischen Doppelsystemen angewandt“, sagt Dr. Justin Vines, der für die nächsten vier Jahre die beiden Forschungsthemen am AEI und an der UCLA zusammenführen wird. Während die Gravitationswellenastronom*innen eine spektakuläre Entdeckung nach der anderen verkünden, denken sie auch darüber nach, wie die Signale gemessen und die Daten der immer empfindlicheren Detektoren in Zukunft interpretiert werden können. „Je empfindlicher die Gravitationswellendetektoren werden, desto genauer müssen wir die Wellenformen modellieren, mit denen die Signale gesucht und analysiert werden“, erklärt Alessandra Buonanno, in deren Abteilung am AEI Justin Vines in den nächsten zwei Jahren forschen wird, bevor er an die UCLA wechselt. „Mit fortschrittlichen Techniken aus der Quantenfeldtheorie wollen wir nun die Berechnung der Wellenformmodelle noch weiter verfeinern“, ergänzt die Direktorin am AEI und College-Park-Professorin an der University of Maryland.  „Die Aussicht, dass Berechnungen von Streuamplituden aus der Quantenphysik einen direkten Einfluss auf die Gravitationswellenforschung haben werden, ist für beide Seiten wirklich aufregend. Wir freuen uns darauf, in unserer Zusammenarbeit mit dem AEI die Grenzen des theoretischen Wissens über die klassische Gravitationsdynamik weiter auszudehnen“, sagt Zvi Bern, Direktor des Mani Lal Bhaumik Institute for Theoretical Physics an der UCLA.

Streuamplituden für die Modellierung von Gravitationswellen

Künstlerische Darstellung des unterirdisch angelegten Einstein-Teleskops.

Dr. Justin Vines wird als Brücke zwischen den Gruppen am AEI und an der UCLA fungieren und die Zusammenarbeit durch langfristige Besuche an beiden Institutionen fördern. Erst vor relativ kurzer Zeit wurde erkannt, dass bestimmte theoretische Methoden aus dem Bereich der Quantenstreuamplituden (z.B. Unitariät und Doppelkopie-Konstruktionen) erfolgreich auf das klassische relativistische Zwei-Körper-Problem angewendet werden können. Dabei stehen die Physiker*innen nicht nur vor technischen Herausforderungen, sondern auch vor einigen potentiell tiefgehenden konzeptionellen Fragen, z.B. bezüglich einer formalen Entsprechung von „minimal gekoppelten“ Quantenteilchen mit höheren Spinzahlen und klassischen rotierenden Schwarzen Löchern.

Ab 2034 wird LISA im Weltraum nach niederfrequenten Gravitationswellen suchen.

„Da ich aus dem Bereich der klassischen Gravitation komme, muss ich selbst noch viel über die großen Fortschritte lernen, die in den letzten Jahrzehnten bei der Konstruktion und dem Verständnis von Streuamplituden in relativistischen Quantentheorien gemacht wurden. Ich freue mich darauf, dies in enger Zusammenarbeit mit den Abteilungen an der UCLA und am AEI zu tun. Beide Seiten haben eindeutig das Potenzial, viel voneinander zu lernen. Die Verbindung mit der klassischen Gravitation könnte sogar zu neuen Erkenntnissen führen, die sehr wertvoll für das Studium von Wechselwirkungen im Bereich der Quantengravitation sind“, sagt Justin Vines.

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