Wenn man sich mit dem Standardmodell anlegt…

Dissertation von Simone Zoia erscheint in “Springer Theses”

Simone Zoias Arbeit in theoretischer Teilchenphysik ist als herausragende Forschung anerkannt worden. Die Buchreihe “Springer Theses” hat die Dissertation "Modern Analytic Methods for Scattering Amplitudes" in ihr Programm aufgenommen, einer Auswahl der besten Beiträge junger Wissenschaftler*innen weltweit. Simone Zoias Forschung am Max-Planck-Institut für Physik (MPP) wurde durch den ERC Grant "Novel structures in scattering amplitudes" des MPP-Direktors Johannes Henn gefördert.

Dr. Simone Zoia (Foto: Yang Zhang/MPP)

"How dare we disturb the universe?", fragt Zoia in der Einführung zu seiner Arbeit und zitiert damit den Lyriker T. S. Eliot. Mit seiner Arbeit ist der junge Wissenschaftler nicht der erste, der es wagt, das große Universum zu stören: Tausende Jahre philosophischer und wissenschaftlicher Forschung liegen hinter uns. "Ich denke, wir können mit Fug und Recht behaupten, dass unser Verständnis des Universums besser ist als jemals zuvor", schreibt Zoia. Im vergangenen Jahrhundert erlebten die wissenschaftlichen Methoden enorme Fortschritte, die auch zum Standardmodell der Teilchenphysik führten, der erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorie aller Zeiten.

"Ironischerweise ist der Siegeszug des Standardmodells nicht nur ein Grund zur Freude, sondern auch zur Frustration”, erklärt Zoia. “Bisher konnte zwar keine seiner Vorhersagen eindeutig widerlegt werden, aber es gibt Dinge, die das Modell überhaupt nicht erklärt." Und genau darum geht es in seiner Doktorarbeit: "Um über das Standardmodell hinauszugehen, ist es von größter Bedeutung, seinen Gültigkeitsbereich zu bestimmen und damit gleichzeitig seine möglichen Erweiterungen einzuschränken. Unsere beste Möglichkeit in die mikroskopische Welt der fundamentalen Teilchen einzutauchen, befindet sich im Large Hadron Collider (LHC) am CERN."

Komplexität mathematisch bezwingen

In seiner Forschungsarbeit konzentriert sich Zoia auf die Hochenergieeffekte, die bei der Kollision von Protonen entstehen und durch Streuamplituden erfasst werden können. Streuamplituden sind eine mathematische Methode, um die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung bestimmter Teilchen bei der Kollision mit anderen Teilchen zu berechnen. Der junge Wissenschaftler konzentrierte sich in seiner Doktorarbeit auf Fünf-Teilchen-Prozesse in der Zweischleifenordnung. Diese Prozesse sind so enorm komplex, dass sie zu den größten Herausforderungen bei der Berechnung von Streuamplituden zählen.

„Der schwierigste Teil bei der Berechnung einer Streuamplitude ist die Berechnung der darin vorkommenden Feynman-Integrale", sagt Zoia. "Meine Kollegen und ich haben es geschafft, das fehlende und komplexeste Set masseloser Fünf-Teilchen-Feynman-Integrale mit zwei Schleifen zu berechnen. Dies war der entscheidende Türöffner für die Berechnung weiterer Amplituden.”