Sidste år, partikelfysikeren Lance Dixon var ved at forberede et foredrag, da han bemærkede en slående lighed mellem to formler, som han planlagde at inkludere i sine slides.
Formlerne, kaldet spredningsamplituder, giver sandsynligheden for mulige udfald af partikelkollisioner. En af spredningsamplituderne repræsenterede sandsynligheden for, at to gluonpartikler kolliderer og producerer fire gluoner; den anden gav sandsynligheden for, at to gluoner stødte sammen for at producere en gluon og en Higgs-partikel.
"Jeg blev lidt forvirret, fordi de lignede nogenlunde ens," sagde Dixon, som er professor ved Stanford University, "og så indså jeg, at tallene grundlæggende var de samme - det er bare, at [rækkefølgen] var blevet vendt. ”
Han delte sin observation med sine samarbejdspartnere over Zoom. Da gruppen ikke vidste nogen grund til, at de to spredningsamplituder skulle svare, troede gruppen, at det måske var en tilfældighed. De begyndte at beregne de to amplituder ved gradvist højere præcisionsniveauer (jo større præcision, jo flere udtryk skulle de sammenligne). Ved afslutningen af opkaldet, efter at have beregnet tusindvis af udtryk, der blev ved med at stemme, var fysikerne ret sikre på, at de havde at gøre med en ny dualitet - en skjult forbindelse mellem to forskellige fænomener, som ikke kunne forklares med vores nuværende forståelse af fysik.
Nu antipodal dualitet, som forskerne kalder det, er blevet bekræftet for højpræcisionsberegninger, der involverer 93 millioner termer. Selvom denne dualitet opstår i en forenklet teori om gluoner og andre partikler, som ikke helt beskriver vores univers, er der spor, som en lignende dualitet kan have i den virkelige verden. Forskere håber, at undersøgelse af det mærkelige fund kunne hjælpe dem med at skabe nye forbindelser mellem tilsyneladende uafhængige aspekter af partikelfysik.
"Dette er en storslået opdagelse, fordi den er fuldstændig uventet," sagde Anastasia Volovich, en partikelfysiker ved Brown University, "og der er stadig ingen forklaring på, hvorfor det skulle være sandt."
Partikelspredningens DNA
Dixon og hans team opdagede den antipodale dualitet ved at bruge en speciel "kode" til at beregne spredningsamplituder mere effektivt, end de kunne med traditionelle metoder. For at finde ud af sandsynligheden for, at to højenergigluoner spreder sig for at producere fire lavenergigluoner, skal du typisk overveje alle de mulige veje, der kan give dette resultat. Du kender begyndelsen og slutningen af historien (to gluoner bliver til fire), men du skal også kende midten - inklusive alle de partikler, der midlertidigt kan springe ind og ud af eksistensen, takket være kvanteusikkerhed. Traditionelt skal du lægge sandsynligheden for hver mulig mellembegivenhed sammen ved at tage dem en ad gangen.
I 2010 blev disse besværlige beregninger omgået af fire forskere, herunder Volovich, som fundet en genvej. De indså, at mange af de komplicerede udtryk i en amplitudeberegning kunne elimineres ved at omorganisere alt til en ny struktur. De seks grundlæggende elementer i den nye struktur, kaldet "bogstaver", er variabler, der repræsenterer kombinationer af hver partikels energi og momentum. De seks bogstaver udgør ord, og ordene kombineres for at danne udtryk i hver spredningsamplitude.
Dixon sammenligner dette nye skema med den genetiske kode, hvor fire kemiske byggesten kombineres for at danne generne i en DNA-streng. Ligesom den genetiske kode har "partikelspredningens DNA", som han kalder det, regler om, hvilke kombinationer af ord der er tilladt. Nogle af disse regler følger af kendte fysiske eller matematiske principper, men andre virker vilkårlige. Den eneste måde at opdage nogle af reglerne på er ved at lede efter skjulte mønstre i de lange beregninger.
Når de først er fundet, har disse uudgrundelige regler hjulpet partikelfysikere med at beregne spredningsamplituder med meget højere præcisionsniveauer, end de kunne opnå med den traditionelle tilgang. Omstruktureringen gjorde det også muligt for Dixon og hans samarbejdspartnere at få øje på den skjulte forbindelse mellem de to tilsyneladende ikke-relaterede spredningsamplituder.
Antipode kort
I hjertet af dualiteten er "antipodekortet." I geometri tager et antipodekort et punkt på en kugle og inverterer koordinaterne og sender dig lige gennem kuglens centrum til et punkt på den anden side. Det svarer matematisk til at grave et hul fra Chile til Kina.
Ved spredning af amplituder er antipodekortet, som Dixon fandt, lidt mere abstrakt. Det inverterer rækkefølgen af bogstaverne, der bruges til at beregne amplituden. Anvend dette antipodekort på alle termerne i spredningsamplituden for to gluoner, der bliver til fire, og (efter en simpel ændring af variabler) giver dette amplituden for to gluoner, der bliver til en gluon plus en Higgs.
I Dixons DNA-analogi er dualiteten som at læse en genetisk sekvens baglæns og indse, at den koder for et helt nyt protein, der ikke er relateret til det, der kodes af den oprindelige sekvens.
"Vi plejede alle at være overbeviste om, at antipodekortet var ubrugeligt. … Det så ikke ud til at have nogen fysisk betydning eller at gøre noget meningsfuldt,” sagde Matt von Hippel, en amplitudespecialist ved Niels Bohr Institutet i København, som ikke var involveret i forskningen. "Og nu er der denne helt uforklarlige dualitet ved at bruge det, hvilket er ret vildt."
Ikke helt vores verden
Der er nu to store spørgsmål. For det første, hvorfor eksisterer dualiteten? Og for det andet, vil en lignende forbindelse blive fundet i den virkelige verden?
De 17 kendte elementarpartikler, der udgør vores verden, overholder et sæt ligninger kaldet Standardmodel for partikelfysik. Ifølge standardmodellen interagerer to gluoner, de masseløse partikler, der limer atomkerner sammen, let med hinanden for at fordoble deres eget antal og bliver til fire gluoner. Men for at producere en gluon og en Higgs-partikel skal kolliderende gluoner først omdannes til en kvark og en antikvark; disse forvandles derefter til en gluon og en Higgs via en anden kraft end den, der styrer gluonernes gensidige interaktioner.
Disse to spredningsprocesser er så forskellige, hvor den ene involverer en helt anden sektor af standardmodellen, at en dualitet mellem dem ville være meget overraskende.
Men den antipodale dualitet er også uventet selv i den forenklede model for partikelfysik, som Dixon og hans kolleger studerede. Deres legetøjsmodel styrer fiktive gluoner med ekstra symmetrier, som muliggør mere præcise beregninger af spredningsamplituder. Dualiteten forbinder en spredningsproces, der involverer disse gluoner, og en, der kræver en ekstern interaktion med partikler beskrevet af en anden teori.
Dixon mener, at han har en meget spinkel anelse om, hvor dualiteten kommer fra.
Husk de uforklarlige regler fundet af Volovich og hendes kolleger, der dikterer, hvilke kombinationer af ord der er tilladt i en spredningsamplitude. Nogle af reglerne ser ud til vilkårligt at begrænse, hvilke bogstaver der kan optræde ved siden af hinanden i to-gluon-til-gluon-plus-Higgs-amplituden. Men kortlæg disse regler til den anden side af dualiteten, og de forvandles til et sæt af veletablerede regler der sikrer kausalitet - garanterer, at interaktionerne mellem indkommende partikler opstår, før de udgående partikler opstår.
For Dixon er dette et lille hint om en dybere fysisk forbindelse mellem de to amplituder, og en grund til at tro, at noget lignende kunne holde i standardmodellen. "Men det er ret svagt," sagde han. "Det er ligesom brugt information."
Andre dualiteter mellem forskellige fysiske fænomener er allerede blevet fundet. AdS-CFT-korrespondancen, for eksempel, hvor en teoretisk verden uden tyngdekraft er dobbelt med en verden med tyngdekraft, har givet næring til tusindvis af forskningsartikler siden opdagelsen i 1997. Men også denne dualitet eksisterer kun for en gravitationsverden med en skæv geometri i modsætning til det faktiske univers. Alligevel, for mange fysikere, antyder det faktum, at flere dualiteter næsten holder i vores verden, at de kunne ridse overfladen af en altomfattende teoretisk struktur, hvori disse overraskende forbindelser er manifesterede. "Jeg tror, de alle er en del af historien," sagde Dixon.
