Research

My research is on the phenomenology of multiparticle production, mainly at e+e-, pp and ep colliders. Currently physics studies related to the LHC collider dominate, but this is based on experience from other colliders such as the Tevatron and LEP.

The ultimate goal is to provide a complete understanding of the full event structure, so that comparisons can be made with current data and predictions presented for future experiments. This includes modelling of areas such as: hard interactions in the Standard Model and beyond it; QCD parton showers in the initial and final state; nonperturbative fragmentation into hadrons; beam remnants and the underlying event structure; and resonance and ordinary particle decays. I often lecture on such topics at summer schools and other similar arrangements.

The experience gained is used to further develop the PYTHIA program, by which complete events can be simulated. This program has become a standard tool within the particle physics community worldwide, and is also extensively used in areas where I am not active, such as astroparticle physics. As a consequence I provide support for a wide spectrum of experimental physicists, and also some theorists. Some years ago I spent a longer "sabbatical" at CERN to write a new version of PYTHIA in C++, to comply with the demands of the experimental community.

Examples of current or recent projects include:

The Lund group is a member of MCnet, an EU Marie Curie Initial Training Network.



Popular description

I study theoretical particle physics, which is the research area concerned with the smallest constituents of matter and how they interact with each other. More precisely, I am interested in phenomenology, i.e. the intersection where theory and experiment meet, and ideas flow in both directions.

Chance plays a big role in the microcosm. When two particles are hurled against each other with high energy, a collision can lead to long and complicated chains of random processes, which in the end can give hundreds of newly created particles moving out in different directions. No two collisions are identical, even if they may share common patterns. It is like a parlour game on a huge and complicated playing field, where the random choice of the dice is complemented by special rules for many squares. In the particle world the dice is called "quantum field theory", the rules are called "the Standard Model", and the playing field is a region approximately 0.0000000001 mm across. There are problems, however: even if the rules can be written in mathematical formulae so compact that they do not even fill a single sheet, the mathematics still is so complicated that nobody knows how to apply it. Often an approximate approach based on perturbation theory works, but for the strong force, QCD, this is usually not enough.

We then need models, which we believe are close to the truth, but still are sufficiently simple to be useful, and where different assumptions can be varied in a controlled manner. Such a model begun to be developed in Lund, in the group around professors Bo Andersson and Gösta Gustafson, and is accordingly called "the Lund model". One way to study this model, which rapidly proved to be the best one, is to let a computer simulate collisions according to the imagined set of rules, and produce final states with properties that can be directly compared with experimental events on a statistical basis. Such computer programs are called Monte Carlos, after a known place where chance reigns. My Ph.D. thesis 1982 was based on the development of the first Lund Monte Carlo, from physics ideas to code.

Gradually the description has been refined, and extended to encompass almost all known aspects of collision processes. Again it has meant the development of new physics models, and finding smart ways to implement these as working code. Comparisons with existing data, and suggestions for new studies with matching predictions, can help separate promising ideas from dead ends. The computer programs have come to be used by experimental particle physicists across the world, for comparisons with and interpretations of data. In the search for new physics phenomena, beyond the today accepted Standard Model, the programs can predict the consequences of different hypothetical scenarios. The interesting effects often are tiny, so lessons from computer simulation are relevant for detector design and search strategies.

I have led the development of the program called Pythia, which has played a leading role within the field for several decades, and also been the foundation on which many other programs have been developed. Over the years a number of students have contributed to the development, and some of these still are active collaborators, spread across the globe. The program has a size of around 100,000 lines of code, plus about as much for documentation and data files.

It is no chance that the program has been named after the priestess at the famous oracle in Delphi: replies can be ambiguous, and it is as important to formulate precise questions as to correctly interpret the replies. But, partly with the help of the current Pythia, we hope to understand more about the rulse of the game in the Universe.

Populärvetenskaplig beskrivning

Jag forskar på teoretisk partikelfysik, som är läran om materians minsta beståndsdelar och hur dessa växelverkar med varandra. Mer specifikt är jag intresserad av fenomenologi, d.v.s. skärningspunkten där teori och experiment möts, och där ideer flödar åt bägge hållen.

Slumpen spelar en stor roll i mikrokosmos. När två partiklar slungas mot varandra med hög energi, kan en kollision leda till långa och komplicerade kedjor av slumpvisa processer, som i slutändan kan ge hundratals nyskapade partiklar på väg ut i olika riktningar. Ingen kollision är den andra lik, även om gemensamma drag finnes. Det är som ett sällskapsspel på en gigantisk och komplicerad spelplan, där tärningens val kompletteras av speciella regler för många rutor. I partikelvärlden heter tärningen "kvantfältteori", regelverket "standardteorin", och spelplanen är en region ungefär 0,0000000001 mm stor. Det finns emellertid problem: även om regelverket kan skrivas med matematiska formler så kompakta att de ryms på ett ark, är matematiken ändå så komplicerad att ingen vet exakt hur det skall tillämpas. Ofta fungerar ett approximationsförfarande baserat på störningsteori, men för den starka kraften, QCD, är detta vanligen inte tillräckligt.

Vi behöver då modeller, som vi tror ligger nära sanningen, men ändå är tillräckligt enkla för att vara användbara, och där olika antaganden kan varieras på ett kontrollerat sätt. En sådan modell började utvecklas i Lund, i gruppen kring professorerna Bo Andersson och Gösta Gustafson, och kallas därför följdriktigt "Lundamodellen". Ett sätt att studera denna modell, som med tiden visat sig det bästa, är att låta en dator simulera kollisioner enligt det tänkta regelverket, och producera sluttillstånd med egenskaper som direkt kan jämföras med experimentella händelser på statistisk basis. Sådana datorprogram kallas Monte Carlos, efter ett känt ställe där slumpen regerar. I min doktorsexamen 1982 ingick utvecklandet av det första Lundamontecarlot, från fysikideer till kod.

Efterhand har beskrivningen förfinats, och utsträckts till att omfatta nästintill alla kända aspekter av kollisionsprocesser. Det har åter inneburit att utveckla nya fysikmodeller och finna smarta sätt att implementera dem som fungerande kod. Jämförelser med existerande data, ock förslag till nya studier med matchande förutsägelser kan hjälpa separera lovande ideer från återvändsgränder. Datorprogrammen har också kommit att användas av experimentalfysiker över hela världen, för jämförelser med och tolkningar av data. I jakten på nya fysikfenomen, bortom den i dag etablerade standardteorin, kan programmen förutsäga konsekvenserna av olika hypotetiska scenarion. De intressanta effekterna är ofta mycket små, så lärdomar från datorsimulering är av betydelse för detektordesign och sökstrategier.

Jag har drivit utvecklingen av det program som kallas Pythia, som har spelat en ledande roll inom fältet i flera årtionden, och också varit grundstommen på vilken flera andra program utvecklats. Genom åren har ett antal studenter bidragit till utvecklingen, och några av dessa är fortfarande aktiva medarbetare, spridda över jordklotet. Programmet har en storlek av ungefär 100.000 rader kod, plus ungefär lika mycket för dokumentation och datafiler.

Det är ingen tillfällighet att programmet uppkallats efter prästinnan vid det berömda antika oraklet i Delphi: orakelsvar kan vara tvetydiga, och det är lika viktigt att precist kunna formulera frågan som att korrekt uttyda svaret. Men, bland annat med hjälp av det nutida Pythia, kan vi hoppas att i framtiden förstå mer om universums spelregler.