We are interested in the most fundamental questions of nature: What are the constituents of matter and how do they interact? What is the relation of gravity to the other forces of nature?
Our group conducts research on quantum field theory and gravitational physics, which includes string theory and mathematical physics.
The main research topics of the Plefka group are modern on-shell methods for gauge and gravitational scattering amplitudes and their symmetries. Recently we have focussed on applications of this technology to classical gravitational wave physics. In addition hidden symmetries and dualities in scattering amplitudes are a research focus. Furthermore the string/gauge theory or AdS/CFT duality is a key research area of our group. Here with a focus on exact results, integrability and again hidden symmetries. On top also phenomenological questions relating to perturbative quantum gravity as an effective field theory and Higgs physics are being investigated.
Particular research fields pursued by the members of the group are:
- On shell approaches to Scattering Amplitudes
- Novel perturbative techniques for classical relativity based on quantum field theory
- String-Gauge Theory Duality
- Integrability in the AdS/CFT correspondence
- Supersymmetric Wilson Loops
- Perturbative Quantum Gravity as Effective Field Theory
- Higgs physics
- Dynamics and Quantization of Strings in anti-de-Sitter spaces
- Supermembrane Theory
An explanation of AdS/CFT in German on you tube (part of Humboldt podcast)
A description of the research topics of the Furey, Forini, Hohm and Malek junior research groups may be found on the respectively linked group webpages.
Research Highlights of the Quantum Field and String Theory research groups since 2020Bremsstrahlung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen aus der Quantenfeldtheorie
Wenn zwei massive Objekte (Schwarze Löcher, Neutronensterne oder Sterne) aneinander vorbeifliegen, lenken die gravitativen Wechselwirkungen nicht nur ihre Bahnen ab, sondern sie erzeugen auch Gravitationsstrahlung oder gravitative Bremsstrahlung, in Analogie zum Elektromagnetismus. Die resultierende Gravitationswellen eines solchen Streuereignisses wurden in führender Ordnung in der Newton’schen Gravitationskonstante bereits in den 1970er Jahren mit traditionellen Methoden der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer umfangreichen Serie von vier Arbeiten berechnet. Bremsstrahlungsereignisse sind für die aktuelle Generation von Gravitationswellendetektoren noch unerreichbar, da das Signal nicht periodisch und typischerweise weniger intensiv ist. Dennoch sind sie interessante Ziele für zukünftige Suchen mit zukünftigen erd- und weltraumbasierten Observatorien.
In der AG Quantenfeldtheorie um Prof. Plefka wurde ein neuer Ansatz zur Bestimmung dieser Wellenformen (Fig 1) und den Ablenkungen mit Methoden der perturbativen Quantenfeldtheorie entwickelt, der sich als deutlich effizienter als die traditionellen Zugänge erweist. Er basiert auf einer hybriden Quantenfeldtheorie, in der die schwarzen Löcher (oder Sterne) als Punktteilchen idealisiert werden und mit der Gravitationsfeld wechselwirken. Die Berechnung fußt dann auf einer systematischen diagrammatischen Entwicklung mittels Feynmangraphen. D.h. die Methoden die ursprünglich für die Streuung von Elementarteilchen entwickelt wurden können nun auch in astrophysikalischen Szenarien zum Einsatz kommen. Mit dieser innovativen Methode – der „Worldline Quantum Field Theory“ – konnte kürzlich in einer Serie von drei Publikationen in Physical Review Letters unser Verständnis dieses grundlegenden physikalischen Prozesses deutlich erweitert werden. In [1] wurden die Ergebnisse aus den 1970er Jahre in weitaus effizienterer Weise reproduziert, hierzu war lediglich die Berechnung von drei Feynmangraphen (Fig 2) vonnöten. In [2] konnte die Wellenform für den Fall rotierender schwarzer Löcher und Neutronensterne erweitert werden. In einer kürzlichen Publikation [3] wurden die Streuwinlel und Änderungen in den Impulsen und Rotationen durch den Streuprozess in nächst-nächst-führender Ordnung der Gravitationskonstante erstmalig bestimmt. Hierbei kamen elaborierte Techniken zur Berechnung von Feynmanintegralen zum Einsatz. Die Rotationsfreiheitsgrade der schwarzen Löcher können in dieser neuen Formulierung interessanterweise mir einer supersymmetrischen Weltlinientheorie beschrieben werden [4], die sonst in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik zum Zuge kommt.
Diese Forschungen finden im Kontext des DFG Graduiertenkollegs 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ statt, das in Zusammenarbeit mit dem MPI für Gravitationsphysik und DESY an Innovationen in der Quantenfeldtheorie forscht.
Fig 2: Feynmangraphen zur Bestimmung der Wellenform. Die gepunkteten Linien repräsentieren die schwarzen Löcher, die Wellen die Gravitationsstrahlung und die Linien Fluktuationen der Bahn der schwarzen Löcher.
Stability of non-supersymmetric solutions of string theory
One of string theory’s most prominent predictions is that our universe has extra spatial dimensions that we do not observe directly. Instead, these extra dimensions are curled up into a small compact space. In order to yield any meaningful physics, these “compactifications” must be stable, much like a ball in a valley of a hill is stable since if it is pushed slightly to the side, it will roll-back to its initial position. By contrast, if the ball is at the top of a hill, a small push to the side will cause the ball to roll down the hill and far away from its original unstable position. Similarly, in an unstable compactification, a small deformation of the shape of the extra dimensions of string theory will cause the extra dimensions to rapidly expand to large size or even to collapse and form a rip in space. Typically, string compactifications are unstable, unless they possess supersymmetry, an elegant symmetry arising in string theory but which is not observed in the real world.
Adolfo Guarino (University of Oviedo), Emanuel Malek (Humboldt-Universität zu Berlin) and Henning Samtleben (École Normale Supérieure de Lyon) proved the stability of 7 non-supersymmetric solutions of string theory, consisting of a 4-dimensional negatively curved spacetime, called anti-de Sitter space, and 6 curled up dimensions making up a spherical shape. These form the first examples of stable string theory solutions containing anti-de Sitter space. While these solutions cannot be used to directly model our universe, they could provide the first models for 3-dimensional non-supersymmetric condensed matter systems via the “holographic principle”. Moreover, this class of solutions are a stepping stone towards better understanding non-supersymmetric solutions of string theory in general.
Publication
Stable Nonsupersymmetric Anti–de Sitter Vacua of Massive IIA Supergravity, Adolfo Guarino, Emanuel Malek, Henning Samtleben, Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 061601
Versteckte Symmetrien in Massiver Quantenfeldtheorie
Theoretische Modelle mit einem hohen Maß an Symmetrie sind in der Physik allgegenwärtig und oft der Schlüssel zur Entwicklung effizienter Methoden für komplexe Probleme. Wenn die Anzahl der Symmetrien eine kritische Schwelle überschreitet, wird ein System als integrabel bezeichnet, wobei ein Paradebeispiel das Kepler-Problem der Planetenbewegung ist. Während Integrabilität typischerweise mit einem breiten Spektrum mathematischer Methoden einhergeht, ist es oft schwierig, die zugrunde liegenden Symmetrien zu identifizieren. Zum ersten Mal wurden nun Strukturen der Quanten-Integrabilität im Kontext massiver Quantenfeldtheorien in vier Raumzeitdimensionen entdeckt. Florian Loebbert und Julian Miczajka (beide Humboldt-Universität) konnten zusammen mit Dennis Müller (NBI Kopenhagen) und Hagen Münkler (ETH Zürich) zeigen, dass große Klassen von meist ungelösten massiven Feynman-Integralen eine unendlich dimensionale Yangian Symmetrie aufweisen – ein Kennzeichen der Integrabilität. Diese mathematische Struktur ist sehr einschränkend und ermöglicht es, diese Bausteine der Quantenfeldtheorie vollständig zu fixieren, wie für erste Beispiele gezeigt werden konnte. Die beobachtete Yangian Symmetrie geht einher mit einer Erweiterung der wichtigen Struktur der konformen Symmetrie auf Situationen mit massiven Teilchen. Bemerkenswerterweise legt diese Entdeckung nahe, dass ähnliche Symmetriemerkmale auch in massiven Versionen der berühmten holographischen Dualität zwischen Eichentheorien und Gravitation verborgen sein können. Diese Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Physical Review Letters 125 (2020) 9, 091602.
Publikation
Massive Conformal Symmetry and Integrability for Feynman Integrals
Florian Loebbert, Julian Miczajka, Dennis Müller, and Hagen Münkler, Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 9, 091602
mit einem breiten Spektrum mathematischer Methoden einhergeht, ist es oft schwierig, die zugrunde liegenden Symmetrien zu identifizieren. Zum ersten Mal wurden nun Strukturen der Quanten-Integrabilität im Kontext massiver Quantenfeldtheorien in vier Raumzeitdimensionen entdeckt. Florian Loebbert und Julian Miczajka (beide Humboldt-Universität) konnten zusammen mit Dennis Müller (NBI Kopenhagen) und Hagen Münkler (ETH Zürich) zeigen, dass große Klassen von meist ungelösten massiven Feynman-Integralen eine unendlich dimensionale Yangian Symmetrie aufweisen – ein Kennzeichen der Integrabilität. Diese mathematische Struktur ist sehr einschränkend und ermöglicht es, diese Bausteine der Quantenfeldtheorie vollständig zu fixieren, wie für erste Beispiele gezeigt werden konnte. Die beobachtete Yangian Symmetrie geht einher mit einer Erweiterung der wichtigen Struktur der konformen Symmetrie auf Situationen mit massiven Teilchen. Bemerkenswerterweise legt diese Entdeckung nahe, dass ähnliche Symmetriemerkmale auch in massiven Versionen der berühmten holographischen Dualität zwischen Eichentheorien und Gravitation verborgen sein können. Diese Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Physical Review Letters 125 (2020) 9, 091602.
Publikation
Massive Conformal Symmetry and Integrability for Feynman Integrals
Florian Loebbert, Julian Miczajka, Dennis Müller, and Hagen Münkler, Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 9, 091602