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Wenn Quanten und Gravitation Walzer tanzen

So viel Drehimpuls, dass einem schwindelig werden kann: Ein internationaler Workshop, veranstaltet von der TU Wien, beleuchtet die Physik von Teilchen mit hohen Spins.

Gravitation und Quantenfeldtheorie - mit bemerkenswerten Querverbindungen

Gravitation und Quantenfeldtheorie - mit bemerkenswerten Querverbindungen

Gravitation und Quantenfeldtheorie - mit bemerkenswerten Querverbindungen

Gravitation und Quantenfeldtheorie - mit bemerkenswerten Querverbindungen

Noch ist es nicht gelungen, die Quantentheorie und die Relativitätstheorie zu einem gemeinsamen, geschlossenen Gedankengebäude zu vereinen – doch immer wieder gibt es spannende neue Ideen auf dem Weg zur Theorie der Quantengravitation. Daniel Grumiller und Radoslav Rashkov vom Institut für Theoretische Physik organisieren gemeinsam mit Kollegen der ETH Zürich und der UCLA (USA) einen Workshop über "Higher Spin Gravity". Auch wenn sich die Veranstaltung an Fachpublikum richtet: Einige der Vorträge können auch für interessierte Außenstehende (mit etwas theoretischer Vorbildung) einen spannenden Einstieg in dieses Thema bieten.

Workshop on Higher Spin Gravity
Erwin Schrödinger Institut / TU Wien
10. bis 20. April 2012
Veranstaltungsübersicht:
http://quark.itp.tuwien.ac.at/~grumil/ESI2012/

Wenn ein Elektron um den Atomkern kreist, hat es einen bestimmten Bahn-Drehimpuls, doch zusätzlich haben Teilchen noch einen Eigen-Drehimpuls, der nichts mit dem Bewegungszustand des Teilchens zu tun hat: Den Spin. Er gibt an, wie viel Drehimpuls ein Teilchen aufnehmen kann. Die meisten Teilchen des quantenphysikalischen Standardmodells haben Spin ½ - etwa Elektronen und Quarks. Wechselwirkungsteilchen wie das Photon haben Spin 1, und das hypothetische Graviton – das Quantenteilchen der Gravitation – müsste Spin 2 haben.

Unendlich viele Teilchen?
"Lange Zeit hielt man es für bewiesen, dass es Teilchen mit höheren Spin-Quantenzahlen gar nicht geben kann", sagt Daniel Grumiller. Allerdings stimmt dieses Ergebnis nur, wenn man von einer flachen Raumzeit ausgeht. Berücksichtigt man aber, dass die Raumzeit gekrümmt ist, dann erlaubt die Theorie Teilchen mit beliebig hoher Spin-Quantenzahl. "Gibt es ein Teilchen, das mindestens Spin 3 hat, müsste es nach dieser Theorie sogar zwingend Teilchen zu jeder Spin-Quantenzahl bis unendlich geben", erklärt Grumiller.

Brücken zwischen verschiedenen Theorien
Solche Teilchen hat man bisher noch nicht gefunden – doch das ist für die Higher-Spin-Gravity-Forschung kein Problem. Dort geht es nämlich gar nicht in erster Linie darum, Beschreibungen für Teilchen unseres realen Universums zu finden, diese Theorien dienen viel eher als Werkzeug für etwas ganz anderes. Vor einigen Jahren wurde ein spektakulärer Zusammenhang zwischen zwei unterschiedlichen Gebieten der theoretischen Physik erkannt: Stringtheorien, die neben anderen Kräften auch die Gravitation beschreiben, lassen sich auf Quantenfeldtheorien abbilden, die ohne Gravitation auskommen. Ergebnisse aus dem einen Gebiet können – mit neuer physikalischer Interpretation – auf das andere Gebiet umgelegt werden. Den Grund für diesen Zusammenhang zwischen zwei eigentlich nicht direkt verknüpften Bereichen der theoretischen Physik (die sogenannte AdS-CFT-Korrespondenz) hat man bis heute nicht so recht verstanden, aber die Korrespondenz zwischen Stringtheorien und Feldtheorien erweist sich als nützliches Werkzeug, das viele interessante neue Ergebnisse hervorbringt.

In der Stringtheorie werden Teilchen als winzige vibrierende "Strings" beschrieben. Wie die Saiten einer Gitarre können auch diese Strings unterschiedlich stark gespannt sein. "Lässt man diese Saitenspannung gegen null gehen, erhält man Gravitationstheorien mit höheren Spins", sagt Daniel Grumiller. Durch die AdS-CFT-Korrespondenz können diese Theorien dann auf Aussagen über bestimmte Quantenfeldtheorien abgebildet werden, die mit bisherigen Methoden unzugänglich waren. Umgekehrt kann man diese Quantenfeldtheorien verwenden, um etwas über Quantengravitation zu lernen.

Höhere Spin-Gravitationstheorien stellen also ein neues theoretisches Werkzeug dar, das in den letzten drei Jahren wesentlich weiterentwickelt worden ist. Der Workshop trägt diesen aktuellen Entwicklungen Rechnung und bietet Vorträge von über 30 führenden Expertinnen und Experten an.



Speziell die folgenden drei Vorträge eignen sich auch für Nicht-Fachleute, die sich (etwas theoretisches Vorwissen vorausgesetzt) über diese spannende neue Forschungsrichtung informieren wollen:

Mo, 16.4., 17:30 (17:00: Kaffee + Kuchen) TU, FH HS 5: Marc Henneaux (Direktor des Solvay Institutes & Brussels U. & CECS), Kolloquium "Three-dimensional gravity: a superb theoretical laboratory"

Di, 17.4., 12:30 (12:15: Pizza) Uni Wien, Schroedinger HS: Alejandra Castro (McGill U.), Lunch talk "Higher Spin Gravity"

Di, 10.4., 16:00, ESI: Augusto Sagnotti (Pisa, Scuola Normale Superiore & INFN, Pisa), "Introduction to higher spin gravity"