新的粒子碰撞数学可能提供量子线索

当粒子物理学家试图模拟实验时，他们面临着一种不可能的计算-一个现代数学无法企及的无限长的方程。

幸运的是，他们可以产生很大程度上准确的预测，而不需要一直看到这个神秘的数学。通过缩短计算，欧洲核子研究中心(CERN)位于欧洲的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的科学家们做出了预测，与他们在近17英里的轨道上相互发射亚原子粒子时实际观察到的事件相匹配。

不幸的是，预测和观测达成一致的时代可能即将结束。随着测量变得越来越精确，理论家用来进行预测的近似方案可能跟不上。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家克劳德·杜尔(Claude Duhr)说，“我们已经接近用尽能做的事情了。”

但由意大利帕多瓦大学(University Of Padua)的皮尔保罗·马斯特罗里亚(Pierpaolo Mstrolia)和新泽西州普林斯顿高等研究院(Institute For Advanced Study)的塞巴斯蒂安·米泽拉(Sebastian Mizera)领导的一群物理学家最近发表的三篇论文揭示了方程中潜在的数学结构。这种结构提供了一种新的方式，可以将没完没了的术语压缩成几十个基本组成部分。他们的方法可能有助于带来新的预测精度水平，这是理论家们迫切需要的，如果他们要超越领先但不完整的粒子物理模型的话。

“他们已经提供了大量的概念验证结果，这表明这是一项非常有前途的技术，”杜尔说。

新方法通过直接计算“交集数”绕过了传统的数学繁琐过程，一些人希望这最终能导致对亚原子世界的更优雅的描述。

“这不仅仅是数学问题，”麦吉尔大学的西蒙·卡隆-胡特(Simon Caron-Huot)说，他是一名量子理论家，正在研究马斯特罗里亚和米泽拉工作的意义。“这是深深植根于量子场论的东西。”

当物理学家模拟粒子碰撞时，他们使用一种叫做费曼图的工具，这是理查德·费曼在20世纪40年代发明的一种简单的示意图。

为了对这些图表有个感觉，考虑一个简单的粒子事件：两个夸克划进来，当它们“碰撞”时交换一个胶子，然后沿着各自的轨迹反弹离开。

在费曼图中，夸克的路径由“腿”表示，当粒子相互作用时，腿会连接起来形成“顶点”。费曼开发了将这幅漫画转化为计算事件实际发生概率的方程式的规则：你为每条腿和顶点写一个特定的函数-通常是涉及粒子质量和动量的分数-然后将所有东西相乘。对于像这样简单的场景，计算结果可能适用于鸡尾酒餐巾纸。

但量子理论的黄金法则是考虑所有的可能性，而交换一个简单的胶子只代表了当两个夸克碰撞时可能展开的众多场景中的一个。例如，在瞬间自我重组之前，交换的胶子可能会瞬间分裂成一对“虚拟的”夸克。两个夸克进入，两个夸克离开，但在中间可能会发生很多事情。一个完整的会计，意味着一个完美的预测，将需要无限数量的图表。没有人期望完美，但提高计算精度的关键是在无限的事件线上走得更远。

放大到隐藏的中心涉及到虚拟粒子-微妙地影响每一次相互作用的结果的量子涨落。上面夸克对的短暂存在，就像许多虚拟事件一样，由一个带有闭合“回路”的费曼图来表示。循环让物理学家们感到困惑--它们是黑匣子，引入了无限场景的额外层次。要计算循环所隐含的可能性，理论家必须求助于一种称为积分的求和运算。这些积分在多圈费曼图中占据了惊人的比例，随着研究人员沿着这条线行进，并在更复杂的虚拟交互中折叠，这些积分开始发挥作用。

物理学家有计算无环和单环情况概率的算法，但许多双环冲突会使计算机瘫痪。这对预测精度和物理学家理解量子理论的能力施加了上限。