Fenomenologis k kva ntkromodyna mik och utveckling a v hä ndels egenera torer

För att utöka vår förståelse av naturens minsta beståndsdelar och de krafter som påverkar dem, bygges mycket stora acceleratorer som kolliderar elementarpartiklar med extremt höga energier. Vid sådana kollisioner bildas ett stort antal partiklar, och genom att studera dessa i stora detektorer, ibland flera meter från kollisionspunkten, försöker man utvinna kunskap om vad som hände i själva kollisionsögonblicket på subatomära avstånd.
Traditionella analytiska metoder kan inte i detalj beskriva dessa kollisionshändelser, utan endast förutsäga vissa globala karakteristika. En alternativ metod bygger på datorsimuleringar av produktionsförloppet, där den kvantmekaniska osäkerheten ersättes med upprepade slumpval som är avsedda att så väl som möjligt reflektera de förväntade sannolikhetsfördelningarna. Från ett ändligt antal regler bygges således en oändlighet av variabilitet upp. Ju mer realistiska och detaljerade dessa regler kan göras, desto bättre kan de datorgenererade händelserna jämföras med naturens egna. Avdelningen för teoretisk fysik i Lund har ett mycket gott internationellt rykte när det gäller att utveckla dessa så kallade händelsegeneratorer. Programmen används av nästan alla partikelfysikexperiment för att jämföra resultat med teoretiska förutsägelser och för att utveckla och kalibrera detektorer.
Vid det internationella partikelforskningslaboratoriet CERN finns superacceleratorn kallad LHC, där protoner kollideras med oöverträffade energier. För att kunna se och förstå de signaturer för nya fysikaliska fenomen som förhoppningsvis kan visa sig för experimenten vid LHC, krävs en mycket detaljerad beskrivning av dessa sällsynta signaler. Minst lika viktig är, emellertid, en detaljerad förståelse av den enorma bakgrund av processer från den starka växelverkan som utgör den höstack i vilken vi kanske kan hitta nålar av ny fysik. Detta ställer mycket höga krav på de händelsegeneratorer som används. 2012 hittade man vid LHC den länge eftersökta Higgspartikeln, och användandet av hänselsegeneratorer spelade en central roll i upptäkten. Efter att energin i protonstrålarna nästan fördubblades 2015 fortsätter nu sökandet efter nya oväntade fysikaliska fenomen. Nya krav kommer att ställas på de modeller som ingår i programmen. De nuvarande modellerna bygger på att protonkollisioner kan beskrivas i termer av spridning mellan protonernas beståndsdelar, kvarkar och gluoner, och använder approximationen att dessa spridningar sker med energier som är mycket större än protonens massa men inte allt för små jämfört med den totala kollisionsenergin. Den höga energin vid LHC betyder emellertid att tätheten av främst gluoner i protonerna blir mycket stor och att vi därför måste ta hänsyn till att flera spridningar kan förekomma i samma kollision, och att de flesta av dessa spridningar har mycket liten energi i förhållande till den totala energin, vilket gör att de konventionella approximationerna inte längre fungerar.
Vi har utvecklat en modell som bygger på approximationer som fungerar både när spridningsenergierna är stora jämfört med protonmassan och när de är små jämfört med den totala energin. Denna modell kan beskriva kollisioner med flera spridningar, och även på ett tillförlitligt sätt förutsäga hur många spridningar man kan vänta sig. Modellen har nu utvecklats så att även omvandlingen av spridda gluoner och kvarkar till observerbara hadroner inkluderats, och kan börja användas för att bättre förstå vad som händer i protonkollisioner. Dessutom kan modellen användas för att studera de kollisioner mellan tunga atomkärnor, som också produceras vid LHC, där man kan komma upp till temperaturer och partikeltätheter som liknar de som fanns i universum bråkdelar av en sekund efter Big Bang.
Kollisioner mellan enstaka protoner är väl beskrivna av händelsegeneratorer där varje enskild kvark och gluon som deltar i processen följs i detalj. I kollisionerna mellan blykärnorna i LHC är dessa dock så många att man konventionellt istället använder statistiska metoder baserade på termo- och hydrodynamik. Vi håller nu på att utveckla händelsegeneratorer för att detaljerat simulera de tusentals kvarkar och gluoner som deltar i varje kollision. Detta kommer att ge nya möjligheter att jämföra med enstaka protonkollisioner och på så sätt isolera de kollektiva effekter som kan uppkomma vid väldigt höga partikelkoncentationer.