Viel von dem, was wir über die fundamentalen Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkung wissen, haben wir aus Teilchenkollisionen bei den höchsten Energien gelernt. Die statistische Analyse von vielen Kollisionen, in welchen neue Teilchen produziert werden, erlaubt dabei Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungs-Stärken. Diese Analysen haben die Theorie des Standardmodells der Teilchenphysik, komplettiert durch die Beobachtung des Higgs Bosons, etabliert. Astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen legen jedoch nahe, dass das Standardmodell nicht vollständig ist und wir damit weiter nach neuer Physik, wie zum Beispiel der hypothetischen Dunklen Materie, suchen müssen.
Zentraler Bestandteil dieser Suche ist die Fähigkeit, die komplexen Endzustände der Kollisionen an Beschleunigern und in Phänomenen wie Kosmischen Strahlen oder hochenergetischen Neutrinos, die die Erde und ihre Atmosphäre treffen, zu verstehen und zu modellieren. Computersimulationen sind dabei das Werkzeug der Wahl und erlauben eine virtuelle Beschreibung der Experimente, die direkt mit detaillierten Messungen in den Teilchendetektoren verglichen werden kann: in der Tat gibt es kaum eine Messung am Large Hadron Collider am CERN, die ohne diese Simulationen auskommen würde.
Meine Forschung ist im Bereich der Phänomenologie angesiedelt, der Schnittstelle zwischen Experiment und Theorie. Mich interessiert die gesamte Komplexität, die wir in Hochenergie-Kollisionen finden, aus den fundamentalen Wechselwirkungen der Quantenfeldtheorie quantitativ vorherzusagen. Experimentelle Analysen können dadurch kleinste Fluktuationen in der Häufigkeit von nachgewiesenen Endzuständen nutzen, um bekannte Physik des Standardmodells von "neuer Physik" zu unterscheiden. Mit meinen Berechnungen und Simulationen beschreibe ich die Dynamik einer Teilchenkollission auf allen relevanten Energieskalen ausgehend von einer harten, kurzreichweitigen Streuung mit Impulsüberträgen im TeV-Regime bis zu den MeV-Skalen der hunderten von nachgewiesenen Hadronen, Leptonen und Photonen.
Die Methoden, die ich nutze sind störungstheoretische Quantenfeldtheorie, zusammen mit näherungsweisen Methoden, die führende Beiträge im Energieverlust von gestreuten Teilchen in alle Ordnungen aufsummieren, sowie phänomenologische Methoden, wo ein direkter Zugang nicht mehr ohne weiteres möglich ist. Monte Carlo Methoden erlauben es den theoretischen Zugang in eine Simulation zu überführen und sind meist unerlässlich, um die komplizierte Struktur der zugrunde liegenden Evolutionsgleichungen zu lösen. Seit einiger Zeit entwickle ich auch Methoden, die den traditionellen, probabilistischen Rahmen verlassen und quantenmechanische Interferenz
exakt berücksichtigen: dieser Zugang basiert alleine auf Streuamplituden und formuliert die Evolution eines Dichteoperators anstatt eines Streuquerschnitts.
In einem Feld wie der Phänomenologie ist eine enge Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen und in lokalen und internationalen Netzwerken unerlässlich, deshalb freue ich mich auch über neue Kontakte und Perspektiven mit den verwandten theoretischen Feldern in Graz, insbesondere der Forschung über nicht-perturbative Methoden und den Aktivitäten bezüglich dunkler Materie.
Antrittsvortrag:
"Simulations for High Energy Collisions: From models to precision tools."
Mittwoch, 20.10.2021
HS 05.12, 15.00 Uhr
I will review the development and theoretical concepts of Monte Carlo event generators, indispensable simulation packages for predictions at high energy colliders. Originally rooted in phenomenological models, these programs and the techniques on which they build, nowadays evolve into precision tools which complement other computational methods in quantum field theory. I will outline how a new paradigm manifestly based on scattering amplitudes helps us to build more reliable simulations for ongoing and future experiments, as well as why and how it deserves to be studied as a new algorithm in its own right.