znanost 18.5.2017 10:00

Teorija strun nudi vpogled v pomembna vprašanja teoretične fizike

Ljubljana, 18. maja - Teorija strun je najprimernejši kandidat za kvantno poenotenje fizike delcev in gravitacije ter nudi vpogled v pomembna vprašanja teoretične fizike. Med drugim omogoča vpogled v mikroskopsko strukturo črnih lukenj in geometrijski izvor fizike delcev, je na predavanju na Institutu Jožef Stefan povedala Mirjam Cvetič z Univerze v Pensilvaniji.

Ljubljana, IJS.
Predavanje prof. dr. Mirjam Cvetič z naslovom Sodobna teorija strun se sooči s fiziko delcev in s črnimi luknjami.
Foto: Lea Udovč/STA

Ljubljana, IJS.
Predavanje prof. dr. Mirjam Cvetič z naslovom Sodobna teorija strun se sooči s fiziko delcev in s črnimi luknjami.
Foto: Lea Udovč/STA

Ljubljana, IJS.
Predavanje prof. dr. Mirjam Cvetič z naslovom Sodobna teorija strun se sooči s fiziko delcev in s črnimi luknjami.
Foto: Lea Udovč/STA

Cvetičeva se raziskovalno ukvarja s teoretično fiziko visokih energij, kjer je eden njihovih glavnih ciljev poenotenje fundamentalnih sil narave v enotno kvantno teorijo. Glavni kandidat za tako poenotenje pa je teorija strun, je pojasnila Cvetičeva.

Ena od smeri raziskovalnega dela Cvetičeve je osredotočena na študij črnih lukenj v teoriji strun, kjer poskušajo razumeti njihovo kvantno strukturo. Drugo področje njenega študija pa je izpeljava fizike kvantnih interakcij elektromagnetne in nuklearne sile oz. tako imenovani standardni model.

V predavanju je tako raziskovalka predstavila razvoj, ki ga teorija strun prinaša na področje fizike delcev in črnih lukenj. Med drugim je predstavila vpeljavo razsežnih teles - Dirichletovih bran - in nedavni napredek pri izpeljavi fizike delcev iz F-teorije.

Teorija strun in poenotenje s fiziko osnovnih delcev in črnih lukenj

Teorija strun je konsistentna kvantna teorija, kjer so elementarni kvantni delci vseh fundamentalnih sil, tudi gravitacije, kvantna vzbujanja strun. Ker so kvantne interakcije strun izračunljive in nimajo neskončnosti, imamo konsistentno kvantno teorijo, ki sedaj vsebuje kvantno gravitacijo.

Teorija strun je glavni kandidat za konsistentno kvantno teorijo gravitacije, ki je po besedah Cvetičeve "sveti gral" teorijske fizike visokih energij. Gravitacija, kot kvantna teorija delcev, ima namreč problem, ker izračuni dajo neskončnosti in teorija ni konsistentna.

Vendar pa ta postopek zahteva uvedbo desetih dimenzij, saj je teorija strun kvantno konsistentna v desetih dimenzijah. Da bi povezali teorijo strun s fiziko v štirih dimenzijah (čas in tri prostorske dimenzije), morajo znanstveniki od desetih dimenzij šest dimenzij kompaktificirati. Ker pa obstajajo različne konsistentne kompaktifikacije prostora, ima to različne konsekvence za fiziko v štirih dimenzijah, kar je eden ključnih problemov te teorije, je pojasnila Cvetičeva.

Po drugi strani pa je uspeh teorije strun ta, de napove rešitve, ki imajo v štirih dimenzijah kvantne delce in interakcije standardnega modela. Pri teh pomembnih rezultatih pa je vodilno vlogo odigralo tudi raziskovalno delo Cvetičeve.

Geometrijska faza teorije strun

Kot je pojasnila Cvetičeva, je v zadnjih letih napredek pri raziskavi teorije strun v območju močne sklopitvene konstante. To je tako imenovana F-teorija, geometrijska faza teorije strun, kjer znanstveniki za izpeljavo fizike standardnega modela uporabljajo geometrijske metode. V zadnjih letih je to področje intenzivnega raziskovanja Cvetičeve, ki je kulminiralo s prvo izpeljavo standardnega modela v F-teoriji.

"Eden mojih ciljev je, da bi v bližnji prihodnosti razvila geometrijske metode, posebno na področju F-teorije, ki bi pripomogle pri izpeljavi bolj detajlnih lastnosti Standarnega modela, kot so sklopitvene konstante in mase elementarnih delcev," je povedala raziskovalka.

Črne luknje

Teorija strun igra pomembno vlogo tudi pri identifikaciji kvantne strukture oz. tako imenovane mikroskopske strukture določenih ekstremalnih črnih lukenj. Prve take črne luknje so bile odkrite kot rešitve efektivnih enačb teorije strun. Gre za tako imenovane Cvetič-Youm in Chong-Cvetič-Lu-Pope črne luknje, ki so poimenovane po Cvetičevi in njenih sodelavcih.

V zadnjih letih je bil dosežen napredek pri študiju mikroskopske strukture t.i. ne-ekstremlanih črnih lukenj, kar je tudi sedanji fokus njenega raziskovalnega dela. "Na področju črnih lukenj je moj cilj, da bi razločila mikroskopsko strukturo črnih lukenj, ne samo v okviru specifičnih črnih lukenj v teoriji strun, ampak tudi za črne luknje, ki so astrofizikalnega pomena," pravi slovenska znanstvenica.

Dr. Mirjam Cvetič

Cvetičeva je redna profesorica fizike na prestižni ameriški Univerzi v Pensilvaniji. Nekaj njenih najpomembnejših znanstvenih dosežkov je s področja teorije črnih lukenj, nekatere so tudi poimenovane po njej, kot črna luknja Cvetič-Youm in Chong-Cvetič-Lu-Pope. Je avtorica več kot 320 člankov s področja teorije visokih energij, doslej je zbrala že več kot 18.000 citatov. Je tudi vodilna znanstvenica na področju kompaktifikacije teorije strun in povezave te teorije s fiziko osnovnih delcev.

V zadnjem desetletju so jo izvolili za članico Ameriškega fizikalnega društva in ji podelili nagrado, ki jo dobijo najuspešnejši nekdanji diplomanti Univerze Maryland. Pred dvema letoma je prejela štipendijo fundacije Simons za teoretično fiziko. Je članica Evropske akademije znanosti in umetnosti ter urednica znanstvene revije na področju fizike visokih energij Physics Letters B.

Cvetičeva aktivno sodeluje tudi s Slovenskimi raziskovalnimi institucijami. Je članica Centra za uporabno matematiko in fiziko (CAMTP) Univerze v Mariboru in stalna obiskujoča profesorica na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, kjer ima pogoste znanstvene stike in sodelovanja. Redno izvaja tudi serije predavanj na Univerzi v Mariboru kot tudi na Univerzi v Ljubljani.