علماء فيزياء الجسيمات يتخبطون حول ازدواجية جديدة

في العام الماضي ، عالم فيزياء الجسيمات لانس ديكسون كان يحضر محاضرة عندما لاحظ تشابهًا مذهلاً بين صيغتين كان يخطط لتضمينهما في شرائحه.

تعطي الصيغ ، التي تسمى اتساعات التشتت ، احتمالات النتائج المحتملة لتصادم الجسيمات. تمثل إحدى السعات المتناثرة احتمال اصطدام جسيمين من الغلوونات وإنتاج أربعة غلوونات ؛ أعطى الآخر احتمال اصطدام اثنين من الغلوونات لإنتاج غلوون وجسيم هيغز.

قال ديكسون ، الأستاذ في جامعة ستانفورد ، "لقد كنت مرتبكًا بعض الشيء لأنهم بدوا متشابهين نوعًا ما ، ثم أدركت أن الأرقام هي نفسها في الأساس - إنها فقط أن [الترتيب] قد انعكس. "

شارك ملاحظته مع مساعديه عبر Zoom. مع العلم أنه لا يوجد سبب يجب أن تتوافق سعات التشتت مع سعات التشتت ، فقد اعتقدت المجموعة أنها ربما كانت مصادفة. بدأوا في حساب السعتين بمستويات دقة أعلى تدريجيًا (كلما زادت الدقة ، كان يتعين عليهم مقارنة المصطلحات). بنهاية المكالمة ، وبعد حساب آلاف المصطلحات التي ظلت متوافقة ، كان الفيزيائيون متأكدين تمامًا من أنهم يتعاملون مع ازدواجية جديدة - علاقة خفية بين ظاهرتين مختلفتين لا يمكن تفسيرها من خلال فهمنا الحالي للفيزياء.

الآن، ازدواجية عكسيةكما يسميها الباحثون ، تم التأكد من إجراء حسابات عالية الدقة تتضمن 93 مليون مصطلح. في حين أن هذه الازدواجية تنشأ في نظرية مبسطة عن الغلوونات والجسيمات الأخرى التي لا تصف كوننا تمامًا ، إلا أن هناك أدلة على أن ازدواجية مماثلة قد تحمل في العالم الحقيقي. يأمل الباحثون أن يساعدهم التحقيق في هذا الاكتشاف الغريب في تكوين روابط جديدة بين الجوانب التي تبدو غير ذات صلة في فيزياء الجسيمات.

قال "هذا اكتشاف رائع لأنه غير متوقع على الإطلاق" أناستازيا فولوفيتش، عالم فيزياء الجسيمات في جامعة براون ، "ولا يوجد حتى الآن تفسير لماذا يجب أن يكون صحيحًا."

الحمض النووي لتشتت الجسيمات

اكتشف ديكسون وفريقه الازدواجية العكسية باستخدام "رمز" خاص لحساب سعة التشتت بكفاءة أكبر مما يمكنهم باستخدام الطرق التقليدية. بشكل نموذجي ، لمعرفة احتمال تشتت اثنين من الغلوونات عالية الطاقة لإنتاج أربعة غلوونات منخفضة الطاقة ، على سبيل المثال ، يجب أن تفكر في جميع المسارات المحتملة التي قد تؤدي إلى هذه النتيجة. أنت تعرف بداية القصة ونهايتها (أصبح اثنان من الغلوونات أربعة) ، ولكنك تحتاج أيضًا إلى معرفة الوسط - بما في ذلك جميع الجسيمات التي يمكن أن تظهر وتختفي مؤقتًا من الوجود ، وذلك بفضل عدم اليقين الكمومي. تقليديا ، يجب عليك إضافة احتمالية كل حدث متوسط ​​محتمل ، مع أخذهم واحدًا تلو الآخر.

في عام 2010 ، تحايل أربعة باحثين على هذه الحسابات المرهقة ، بما في ذلك فولوفيتش ، الذي وجدت الاختصار. لقد أدركوا أن العديد من التعبيرات المعقدة في حساب السعة يمكن إزالتها عن طريق إعادة تنظيم كل شيء في بنية جديدة. العناصر الستة الأساسية للهيكل الجديد ، والتي تسمى "الحروف" ، هي متغيرات تمثل مجموعات من طاقة كل جسيم وزخمه. تشكل الأحرف الستة كلمات ، وتتحد الكلمات لتشكل مصطلحات في كل مدى نثر.

يقارن ديكسون هذا المخطط الجديد بالشفرة الجينية ، حيث تتحد أربع كتل بناء كيميائية لتكوين الجينات في خيط من الحمض النووي. مثل الكود الجيني ، فإن "الحمض النووي لتشتت الجسيمات" ، كما يسميه ، لديه قواعد حول مجموعات الكلمات المسموح بها. تنبع بعض هذه القواعد من مبادئ فيزيائية أو رياضية معروفة ، لكن البعض الآخر يبدو تعسفيًا. الطريقة الوحيدة لاكتشاف بعض القواعد هي البحث عن الأنماط المخفية في الحسابات المطولة.

بمجرد العثور عليها ، ساعدت هذه القواعد الغامضة علماء فيزياء الجسيمات على حساب سعة التشتت عند مستويات دقة أعلى بكثير مما يمكنهم تحقيقه باستخدام النهج التقليدي. سمحت إعادة الهيكلة أيضًا لديكسون ومعاونيه باكتشاف العلاقة الخفية بين سعات التشتت التي تبدو غير مرتبطة.

خريطة أنتيبود

في قلب الازدواجية توجد "خريطة نقيض الشفرات". في الهندسة ، تأخذ خريطة نقيض الشفرات نقطة على كرة وتعكس الإحداثيات ، وترسلك مباشرة عبر مركز الكرة إلى نقطة على الجانب الآخر. إنه المكافئ الرياضي لحفر حفرة من تشيلي إلى الصين.

في استطالات التشتت ، تكون خريطة نقيض الشفرات التي وجدها ديكسون أكثر تجريدية قليلاً. إنه يعكس ترتيب الحروف المستخدمة لحساب السعة. طبق خريطة نقيض هذا على جميع المصطلحات في سعة التشتت لغلوونين يصبحان أربعة ، و (بعد تغيير بسيط في المتغيرات) ينتج عن ذلك اتساع غلوون واحد ليصبح غلوون واحد زائد هيغز.

في تشبيه ديكسون للحمض النووي ، تشبه الثنائية قراءة تسلسل جيني إلى الوراء وإدراك أنه يشفر بروتينًا جديدًا تمامًا لا علاقة له بالبروتين المشفر بالتسلسل الأصلي.

"اعتدنا جميعًا أن نكون مقتنعين بأن خريطة نقيض الشفرات كانت عديمة الفائدة. ... لا يبدو أن لها أي أهمية مادية ، أو أن تفعل أي شيء ذي معنى ، "قال مات فون هيبل، وهو متخصص في السعة في معهد نيلز بور في كوبنهاغن ولم يشارك في البحث. "والآن هناك هذه الازدواجية التي لا يمكن تفسيرها تمامًا باستخدامه ، وهو أمر جامح للغاية."

ليس تماما عالمنا

يوجد الآن سؤالان كبيران. أولا ، لماذا الازدواجية موجودة؟ وثانيًا ، هل سيتم العثور على اتصال مماثل في العالم الحقيقي؟

تلتزم الجسيمات الأولية المعروفة السبعة عشر التي يتألف منها عالمنا بمجموعة من المعادلات تسمى النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. وفقًا للنموذج القياسي ، فإن اثنين من الغلوونات ، الجسيمات عديمة الكتلة التي تلتصق ببعض النوى الذرية ، تتفاعل بسهولة مع بعضها البعض لمضاعفة عددها ، لتصبح أربعة غلوونات. ومع ذلك ، لإنتاج جلوون واحد وجسيم هيغز ، يجب أن تتحول الغلوونات المتصادمة أولاً إلى كوارك وكوارك مضاد. ثم تتحول إلى غلوون وهيجز عبر قوة مختلفة عن تلك التي تحكم التفاعلات المتبادلة للغلون.

عمليتا التشتت هاتان مختلفتان تمامًا ، حيث تتضمن إحداهما قطاعًا مختلفًا تمامًا من النموذج القياسي ، بحيث تكون الازدواجية بينهما مفاجئة للغاية.

لكن الازدواجية المضادة للأوجه غير متوقعة أيضًا حتى في النموذج المبسط لفيزياء الجسيمات الذي كان ديكسون وزملاؤه يدرسونه. يتحكم نموذج لعبتهم في الغلوونات الخيالية بتماثلات إضافية ، مما يتيح حسابات أكثر دقة لمدى التشتت. تربط الثنائية عملية تشتت تتضمن هذه الغلوونات وعملية تتطلب تفاعلًا خارجيًا مع الجسيمات الموصوفة بنظرية مختلفة.

يعتقد ديكسون أن لديه فكرة واهية للغاية حول مصدر الازدواجية.

تذكر تلك القواعد التي لا يمكن تفسيرها والتي وجدتها فولوفيتش وزملاؤها والتي تحدد مجموعات الكلمات المسموح بها في نطاق التشتت. يبدو أن بعض القواعد تقيد بشكل تعسفي الأحرف التي يمكن أن تظهر بجانب بعضها البعض في السعة ثنائية الغلوون إلى غلوون زائد هيغز. لكن ضع هذه القواعد على الجانب الآخر من الازدواجية ، وستتحول إلى مجموعة من قواعد راسخة التي تضمن السببية - ضمان حدوث التفاعلات بين الجسيمات الواردة قبل ظهور الجسيمات الخارجة.

بالنسبة إلى ديكسون ، هذا تلميح ضئيل لوجود اتصال فيزيائي أعمق بين السعتين ، وسبب للاعتقاد بأن شيئًا مشابهًا قد يحمل في النموذج القياسي. قال "لكنها ضعيفة جدا". "إنها ، مثل ، معلومات مستعملة."

تم بالفعل العثور على ثنائيات أخرى بين الظواهر الفيزيائية المتباينة. إن مراسلات AdS-CFT ، على سبيل المثال ، حيث يكون العالم النظري بدون جاذبية مزدوجًا لعالم الجاذبية ، قد غذى آلاف الأوراق البحثية منذ اكتشافه في عام 1997. لكن هذه الازدواجية أيضًا موجودة فقط لعالم الجاذبية بهندسة مشوهة على عكس الكون الفعلي. ومع ذلك ، بالنسبة للعديد من الفيزيائيين ، فإن حقيقة وجود ثنائيات متعددة تقريبًا في عالمنا تشير إلى أنهم قد يخدشون سطح بنية نظرية شاملة تتجلى فيها هذه الروابط المفاجئة. قال ديكسون: "أعتقد أنهم جميعًا جزء من القصة".