Wallenberg Academy Fellows

Studerar gravitationens dubbelnatur

För att bättre förstå hur universum skapades behövs både kvantmekanik och Einsteins gravitationsteori. Men de båda teorierna står i strid med varandra inom partikelfysiken. Henrik Johansson studerar kvantgravitationens dubbelnatur och söker nya matematiska formler som kan förena teorierna.

Att vara social och kunna samarbeta är väldigt viktigt när man forskar inom teoretisk partikelfysik, konstaterar Henrik Johansson.

– Det går inte att vara en enstöring. De bästa idéerna får jag när jag pratar med andra forskare, säger han och hejar på några kollegor som sitter i en soffa och pratar utanför hans kontorsrum på Ångströmlaboratoriet.

Henrik Johanssons forskning handlar om de mest grundläggande krafterna i naturen. Han är bland annat intresserad av ett komplext problem som har gäckat fysiker i många år, att försöka smälta samman Einsteins allmänna relativitetsteori och kvantmekaniken. De här två framgångsrika teorierna krockar nämligen, vilket gör det besvärligt för forskare att till exempel förklara hur det gick till när universum skapades i Big Bang.

– Jag har alltid varit fascinerad av den allmänna relativitetsteorin, som Einstein formulerade för att beskriva gravitationen. Den finns mycket kvar att lösa inom det området. En del av mitt projekt handlar om att förstå gravitationen på mycket små längdskalor, kvantgravitation, där relativitetsteorin och kvantmekaniken står i konflikt med varandra.

Partiklars kollisioner

Hösten 2014 flyttade Henrik Johansson, tack vare utnämningen till Wallenberg Academy Fellow, hem till Sverige efter 11 år utomlands. Flyttlasset till Uppsala gick närmast från Genève i Schweiz där han var postdok på CERN, världens största laboratorium för partikelfysik.

Under doktorandstudierna vid University of California, Los Angeles, UCLA gjorde Henrik Johansson en upptäckt som förenklar beräkningar av sannolikheten för att partiklar ska kollidera och interagera.

– Den här typen av nya formler kan komma till nytta i beräkningar som behövs för att tolka experimentella data, till exempel från partikelacceleratorn i CERN. För att få ut ny information om elementarpartiklarna och deras egenskaper är det jätteviktigt att kunna beräkna dessa sannolikheter.

”Som de flesta fysiker drömmer jag om framtida landvinningar som kommer att öka vår förståelse av universum. Jag ser den här utnämningen som en fantastisk möjlighet att försöka förverkliga den drömmen. Nu kan jag även fullfölja mitt mål om att bygga upp en forskningsgrupp som strävar mot internationell excellens.”

Ändlig teori sökes

Den allmänna relativitetsteorin, som fyller 100 år i november 2015, har bland annat viktiga tillämpningar inom astronomi och kosmologi. Exempelvis för att förutsäga planetbanor, svarta hål och universums beteende på stora avståndsskalor. Men för krafter och interaktioner mellan de allra minsta partiklarna, såsom atomer, protoner, neutroner och elementarpartiklar som kvarkar och gluoner, gäller kvantmekaniken.

Att kvantmekaniken och relativitetsteorin krockar beror på en rad problem, förklarar Henrik Johansson. Det viktigaste är att det uppstår oändligheter i beräkningarna när de kombineras.

– Om man får oändligheter till svar i beräkningar är de otillförlitliga. I ett experiment är det omöjligt att få en oändlighet som resultat. Så om man som teoretiker får en oändlighet betyder det att ens teori är sjuk och då måste man hitta en ny teori som ger ändliga svar.

Alla i fysikvärlden drömmer om att finna en teori som kan förena kvantmekaniken och Einsteins gravitationsteori. Henrik Johansson och hans kollegor på UCLA utförde 2007-2009 framgångsrika beräkningar av en teori för kvantgravitation som kallas supergravitationsteorin. Förenklat är det Einsteins teori med lite extra partiklar där en mycket speciell symmetri, kallad supersymmetri, uppstår.

– Vi fann inga oändligheter och andra forskare efter oss som studerade teorin med andra metoder har inte heller funnit bevis för oändligheter. Nu arbetar vi vidare för att se om denna teori är den vi söker.

Ny algebra

Under beräkningarna av supergravitationsteorin upptäckte Henrik Johansson en intressant struktur i termerna, en tidigare okänd dualitet mellan partiklars så kallade kvantfärg och rörelsedata. Han ritar en rad formler på svarta tavlan för att visa hur det ser ut.

– Den här dualiteten ledde till att vi matematiskt kunde beskriva gravitoner, de elementarpartklar som är bärare av gravitationskraften, som dubbla kopior av den starka kärnkraftens bärare, gluonerna. Vi har sedan dess funnit att alla gravitationsteorier vi har undersökt har den här egenskapen, eller dubbelnaturen. Det är ett viktigt steg för att förbättra förståelsen av kvantversionen av Einsteins teori.

Trots starka belägg för dualiteten mellan kvantfärg och rörelsedata finns det ingen fullständig beskrivning av matematiken bakom fenomenet. Men det försöker Henrik Johansson och hans forskargrupp ta fram i projektet som har fått stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

– Det är en stor utmaning. Vi vet att matematiken bakom dualiteten bör beskrivas av en speciell algebra, döpt efter den norska 1800-talsmatematikern Sophus Lie, som förekommer i all modern fysik.

Henrik Johansson har inga problem att motivera sig. Även om enskilda beräkningssteg i det systematiska pussel han lägger ibland kan ta mycket tid och han inte vet om de kommer finna lösningen om en månad, ett år eller 10 år.

– Nej, det är fantastiska grejer jag studerar, så det är väldigt inspirerande.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström