Probing the fundamental structure of quantum spacetime and the standard model
Final Report Abstract
Das Ziel des Projekts war es, die Quanteneigenschaften der Gravitation zu erforschen: So wie die drei anderen fundamentalen Kräfte (Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) Quanteneigenschaften haben, so erwartet man, dass auch die Gravitation Quanteneigenschaften hat. Trotz intensiver Forschung über mehrere Jahrzehnte ist es bisher ein Rätsel geblieben, wie sich Quanteneigenschaften der Gravitation beschreiben lassen. Dieses Projekt hat in zwei Forschungslinien Fortschritt erzielt: 1. Aus dem Zusammenspiel von Quantengravitation mit den Elementarteilchen und fundamentalen Kräften des Standardmodells der Teilchenphysik wurden Tests einer Theorie der Quantengravitation entwickelt. 2. Um besonders herausfordernde theoretische Fragen zur Quantengravitation beantworten zu können, wurden die Stärken verschiedener theoretischer Ansätze zur Quantengravitation zusammengeführt. Über die Projektlaufzeit hinweg wurde eine Vielzahl neuer Ergebnisse erzielt, von denen im Folgenden zwei, die besondere Tragweite haben, kurz beispielhaft erklärt werden: Bisher ist es eine offene Frage, warum unterschiedliche Elementarteilchen unterschiedliche Massen haben, d.h., unterschiedlich schwer sind. Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC weiß man, dass die Massen durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erzeugt werden. Warum aber unterschiedliche Elementarteilchen unterschiedlich stark mit dem Higgs-Feld wechselwirken und unterschiedlich schwer werden, ist eine offene Frage. Es wurde die Hypothese entwickelt und gestützt, dass die Antwort im Zusammenspiel mit der Quantengravitation liegt: Beispielsweise könnte das Top-Quark (das schwerste aller bekannten Elementarteilchen) so viel schwerer sein als das Bottom-Quark, weil Quantengravitation eine verstärkte Wechselwirkung zwischen Top-Quark und Higgs-Feld hervorruft. - Beobachtungen von Galaxien sowie der kosmischen Hintergrundstrahlung legen nahe, dass es neben den Elementarteilchen des Standardmodells noch weitere Elementarteilchen geben muss, die sogenannte Dunkle Materie. Aus welchen Elementarteilchen sie sich zusammensetzt, ist eine offene Frage. Es wurde das spannende Ergebnis erzielt, dass das Zusammenspiel mit der Quantengravitation wichtige Aufschlüsse über die Natur der Dunklen Materie geben könnte: Gezeigt wurde, dass ein populäres Modell der Dunklen Materie nicht mit Quantengravitation kompatibel ist. Der Parameterraum, der experimentell abgesucht werden muss, kann durch solche Ergebnisse erheblich eingeschränkt werden. Die Forschungsergebnisse wurden international wahrgenommen und führten zu 24 eingeladenen internationale Konferenzvorträgen und 16 eingeladene Seminarvorträgen der Gruppenleiterin sowie zahlreichen weiteren Vorträgen von Gruppenmitgliedern. Weiterhin wurden die Forschungsergebnisse in einem eingeladenen Artikel in „Spektrum der Wissenschaft“ dargestellt, der für die Ausgabe 02/2019 den Titelartikel darstellte, und für die spanische „Investigacion y Sciencia“ übersetzt wurde. Außerdem wurde die Gruppenleiterin zu öffentlichen Vorträgen über ihre Forschung eingeladen, unter anderem ins Science Museum in Barcelona (CosmoCaixa), wo der Vortrag simultan ins Spanische und Catalan übersetzt wurde. Ein Youtube-Video der Gruppenleiterin zu den Forschungsergebnissen ist mehr als 15.000 Mal angesehen worden.
Publications
- Lorentz invariance violations in the interplay of quantum gravity with matter. Phys.Rev.D 102 (2020) 2, 026007
Astrid Eichhorn, Alessia Platania, Marc Schiffer
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.026007) - Viability of quantum-gravity induced ultraviolet completions for matter. Phys.Rev.D 96 (2017) 8, 086025
Astrid Eichhorn, Aaron Held
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.086025) - Mass difference for charged quarks from asymptotically safe quantum gravity. Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 15, 151302
Astrid Eichhorn; Aaron Held
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevlett.121.151302) - Quantum gravity fluctuations flatten the Planck-scale Higgs potential. Phys.Rev.D 97 (2018) 8, 086004
Astrid Eichhorn, Yuta Hamada, Johannes Lumma, Masatoshi Yamada
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.086004) - Top mass from asymptotic safety. Phys.Lett.B 777 (2018), 217-221
Astrid Eichhorn, Aaron Held
(See online at https://doi.org/10.1016/j.physletb.2017.12.040) - Upper bound on the Abelian gauge coupling from asymptotic safety. JHEP 01 (2018), 030
Astrid Eichhorn, Fleur Versteegen
(See online at https://doi.org/10.1007/JHEP01(2018)030) - d=4 as the critical dimensionality of asymptotically safe interactions. d=4 as the critical dimensionality of asymptotically safe interactions. Phys.Lett.B 793 (2019), 383-389
Astrid Eichhorn; Marc Schiffer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.05.005) - How perturbative is quantum gravity? in: Phys.Lett.B 792 (2019), 310-314
Astrid Eichhorn, Stefan Lippoldt, Jan M. Pawlowski, Manuel Reichert, Marc Schiffer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.01.071) - Towards background independent quantum gravity with tensor models. Class.Quant.Grav. 36 (2019), 155007
Astrid Eichhorn, Tim Koslowski, Johannes Lumma
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab2545) - Universal critical behavior in tensor models for four-dimensional quantum gravity. JHEP 02 (2020), 110
Astrid Eichhorn, Johannes Lumma, Antonio D. Pereira, Arslan Sikandar
(See online at https://doi.org/10.1007/JHEP02(2020)110)
