فیزیکدانان ذرات در مورد یک دوگانگی جدید معما می کنند

سال گذشته، فیزیکدان ذرات لنس دیکسون در حال آماده کردن یک سخنرانی بود که متوجه شباهت قابل توجه بین دو فرمول شد که قصد داشت در اسلایدهای خود قرار دهد.

فرمول‌هایی که دامنه‌های پراکندگی نامیده می‌شوند، احتمالات پیامدهای احتمالی برخورد ذرات را نشان می‌دهند. یکی از دامنه های پراکندگی نشان دهنده احتمال برخورد دو ذره گلوئون و تولید چهار گلوئون است. دیگری احتمال برخورد دو گلوئون برای تولید یک گلوئون و یک ذره هیگز را نشان داد.

دیکسون که استاد دانشگاه استنفورد است، گفت: «کمی گیج می‌شدم، زیرا آنها تا حدی شبیه به هم بودند، و سپس متوجه شدم که اعداد اساساً یکسان بودند - فقط این [ترتیب] برعکس شده بود. ”

او مشاهدات خود را از طریق Zoom با همکارانش در میان گذاشت. گروه بدون اینکه دلیلی برای تطابق دو دامنه پراکنده وجود نداشته باشد، فکر کردند که شاید این یک تصادف باشد. آنها شروع به محاسبه دو دامنه در سطوح دقت بالاتری کردند (هر چه دقت بیشتر باشد، اصطلاحات بیشتری باید مقایسه کنند). در پایان تماس، با محاسبه هزاران عبارتی که مدام موافق بودند، فیزیکدانان کاملاً مطمئن بودند که با یک دوگانگی جدید سروکار دارند - یک ارتباط پنهان بین دو پدیده مختلف که با درک فعلی ما از فیزیک قابل توضیح نیست.

در حال حاضر، دوگانگی پادپایهمانطور که محققان آن را می نامند، برای محاسبات با دقت بالا که شامل 93 میلیون عبارت است تأیید شده است. در حالی که این دوگانگی در یک نظریه ساده شده از گلوئون ها و سایر ذرات که به طور کامل جهان ما را توصیف نمی کند به وجود می آید، سرنخ هایی وجود دارد که ممکن است دوگانگی مشابهی در دنیای واقعی وجود داشته باشد. محققان امیدوارند که بررسی این یافته عجیب به آنها کمک کند تا ارتباطات جدیدی بین جنبه های به ظاهر نامرتبط فیزیک ذرات ایجاد کنند.

گفت: "این یک کشف باشکوه است زیرا کاملا غیرمنتظره است." آناستازیا ولوویچ، یک فیزیکدان ذرات در دانشگاه براون، "و هنوز هیچ توضیحی در مورد اینکه چرا باید درست باشد وجود ندارد."

DNA پراکندگی ذرات

دیکسون و تیمش با استفاده از یک "کد" ویژه برای محاسبه دامنه های پراکندگی کارآمدتر از روش های سنتی، دوگانگی پادپا را کشف کردند. به طور معمول، برای کشف احتمال پراکندگی دو گلوئون پرانرژی برای تولید چهار گلوئون با انرژی پایین، برای مثال، باید تمام مسیرهای ممکنی را که ممکن است به این نتیجه منجر شود را در نظر بگیرید. شما شروع و پایان داستان را می دانید (دو گلوئون چهار می شوند)، اما باید وسط را نیز بدانید - شامل تمام ذراتی که به لطف عدم قطعیت کوانتومی می توانند به طور موقت وارد و خارج شوند. به طور سنتی، شما باید احتمال هر رویداد میانی ممکن را با هم جمع کنید و آنها را یکی یکی بگیرید.

در سال 2010، این محاسبات دست و پاگیر توسط چهار محقق، از جمله ولوویچ، دور زد. میانبر پیدا کرد آنها متوجه شدند که بسیاری از عبارات پیچیده در یک محاسبه دامنه را می توان با سازماندهی مجدد همه چیز در یک ساختار جدید حذف کرد. شش عنصر اساسی ساختار جدید، به نام "حروف"، متغیرهایی هستند که ترکیبی از انرژی و تکانه هر ذره را نشان می دهند. شش حرف کلمات را تشکیل می‌دهند و کلمات با هم ترکیب می‌شوند و در هر دامنه پراکنده عبارت‌هایی را تشکیل می‌دهند.

دیکسون این طرح جدید را با کد ژنتیکی مقایسه می‌کند، که در آن چهار بلوک سازنده شیمیایی ترکیب می‌شوند تا ژن‌ها را در رشته‌ای از DNA تشکیل دهند. مانند کد ژنتیکی، "DNA پراکندگی ذرات"، همانطور که او آن را می نامد، قوانینی در مورد ترکیب کلمات مجاز دارد. برخی از این قوانین از اصول فیزیکی یا ریاضی شناخته شده پیروی می کنند، اما برخی دیگر دلبخواه به نظر می رسند. تنها راه برای کشف برخی از قوانین، جستجوی الگوهای پنهان در محاسبات طولانی است.

پس از یافتن، این قوانین غیرقابل درک به فیزیکدانان ذرات کمک کرده است تا دامنه های پراکندگی را در سطوح دقت بسیار بالاتری نسبت به روش سنتی محاسبه کنند. بازسازی همچنین به دیکسون و همکارانش اجازه داد تا ارتباط پنهان بین دو دامنه پراکندگی به ظاهر نامرتبط را تشخیص دهند.

نقشه آنتی پاد

در قلب این دوگانگی "نقشه پادپای" قرار دارد. در هندسه، نقشه پاد پاد نقطه ای از یک کره را می گیرد و مختصات را معکوس می کند و شما را مستقیماً از مرکز کره به نقطه ای در طرف دیگر می فرستد. این معادل ریاضی حفر چاله از شیلی تا چین است.

در دامنه های پراکندگی، نقشه آنتی پاد که دیکسون پیدا کرد کمی انتزاعی تر است. ترتیب حروف مورد استفاده برای محاسبه دامنه را معکوس می کند. این نقشه پاد پاد را روی تمام عبارت‌های دامنه پراکندگی برای دو گلوئون که به چهار تبدیل می‌شوند، اعمال کنید، و (پس از تغییر ساده متغیرها) دامنه دو گلوئون به یک گلوئون به اضافه هیگز را به دست می‌دهد.

در تشبیه دی‌ان‌ای دیکسون، دوگانگی مانند خواندن یک توالی ژنتیکی به عقب است و متوجه می‌شویم که پروتئینی کاملاً جدید را رمزگذاری می‌کند که با پروتئینی که توسط توالی اصلی کدگذاری شده است، کدگذاری نمی‌کند.

«همه ما قبلاً متقاعد شده بودیم که نقشه آنتی پاد بی فایده است. ... به نظر نمی رسید که این هیچ اهمیت فیزیکی داشته باشد، یا کاری معنادار انجام دهد مت فون هیپلیک متخصص دامنه در موسسه نیلز بور در کپنهاگ که در این تحقیق شرکت نداشت. "و اکنون این دوگانگی کاملاً غیرقابل توضیح وجود دارد که از آن استفاده می کند، که بسیار وحشی است."

نه کاملا دنیای ما

اکنون دو سوال بزرگ وجود دارد. اول، چرا دوگانگی وجود دارد؟ و دوم، آیا ارتباط مشابهی در دنیای واقعی پیدا خواهد شد؟

17 ذره بنیادی شناخته شده که جهان ما را تشکیل می دهند، از مجموعه ای از معادلات به نام XNUMX پیروی می کنند مدل استاندارد فیزیک ذرات. بر اساس مدل استاندارد، دو گلوئون، ذرات بدون جرمی که هسته‌های اتمی را به هم می‌چسبانند، به راحتی با یکدیگر تعامل می‌کنند تا تعداد خود را دو برابر کنند و به چهار گلوئون تبدیل شوند. با این حال، برای تولید یک گلوئون و یک ذره هیگز، گلوئون های در حال برخورد ابتدا باید به یک کوارک و یک آنتی کوارک تبدیل شوند. سپس این نیروها از طریق نیرویی متفاوت از نیرویی که بر تعامل متقابل گلوئون ها حاکم است، به یک گلوئون و هیگز تبدیل می شوند.

این دو فرآیند پراکندگی به قدری متفاوت هستند، که یکی شامل بخش کاملاً متفاوتی از مدل استاندارد است، که دوگانگی بین آنها بسیار شگفت‌انگیز خواهد بود.

اما دوگانگی پادپایی حتی در مدل ساده شده فیزیک ذرات که دیکسون و همکارانش در حال مطالعه بودند نیز غیرمنتظره است. مدل اسباب‌بازی آن‌ها، گلوئون‌های خیالی را با تقارن‌های اضافی کنترل می‌کند، که محاسبات دقیق‌تری از دامنه‌های پراکندگی را ممکن می‌سازد. دوگانگی یک فرآیند پراکندگی شامل این گلوئون ها و فرآیندی که نیاز به برهمکنش خارجی با ذرات توصیف شده توسط یک نظریه متفاوت دارد را به هم مرتبط می کند.

دیکسون فکر می کند سرنخ بسیار ضعیفی در مورد اینکه دوگانگی از کجا می آید دارد.

آن قواعد غیرقابل توضیحی را که توسط ولوویچ و همکارانش یافت شده است را به یاد بیاورید که دیکته می کند کدام ترکیب کلمات در دامنه پراکنده مجاز است. به نظر می رسد برخی از قوانین به طور دلخواه محدود می کنند که کدام حروف می توانند در دامنه دو گلوئون به گلوئون پلاس هیگز در کنار یکدیگر ظاهر شوند. اما آن قواعد را به طرف دیگر دوگانگی ترسیم کنید، و آنها به مجموعه‌ای تبدیل می‌شوند قوانین به خوبی تثبیت شده که علیت را تضمین می کند - تضمین می کند که فعل و انفعالات بین ذرات ورودی قبل از ظاهر شدن ذرات خروجی رخ می دهد.

برای دیکسون، این یک اشاره کوچک به ارتباط فیزیکی عمیق‌تر بین این دو دامنه است و دلیلی برای فکر کردن به چیزی مشابه در مدل استاندارد است. او گفت: «اما خیلی ضعیف است. "مثلاً اطلاعات دست دوم است."

دوگانگی های دیگری بین پدیده های فیزیکی متفاوت قبلاً یافت شده است. به عنوان مثال، مکاتبات AdS-CFT، که در آن یک جهان نظری بدون گرانش با دنیایی با گرانش دوگانه است، از زمان کشف آن در سال 1997 هزاران مقاله تحقیقاتی را تقویت کرده است. اما این دوگانگی نیز فقط برای یک جهان گرانشی با هندسه تابیده بر خلاف جهان واقعی وجود دارد. با این حال، برای بسیاری از فیزیکدانان، این واقعیت که دوگانگی‌های چندگانه تقریباً در جهان ما وجود دارند، نشان می‌دهد که آنها می‌توانند سطح یک ساختار نظری فراگیر را که در آن این ارتباطات شگفت‌انگیز آشکار می‌شوند، خراش دهند. دیکسون گفت: "من فکر می کنم همه آنها بخشی از داستان هستند."