Tavaly a részecskefizikus Lance Dixon éppen egy előadást készített, amikor feltűnő hasonlóságot észlelt két képlet között, amelyeket a diáiba tervezett.
A szórási amplitúdóknak nevezett képletek a részecskék ütközésének lehetséges kimenetelének valószínűségét adják meg. Az egyik szórási amplitúdó annak valószínűségét jelentette, hogy két gluonrészecske ütközik és négy gluon keletkezik; a másik két gluon ütközésének valószínűségét adta meg, így gluon és Higgs-részecske keletkezik.
„Egy kicsit össze voltam zavarodva, mert valahogy hasonlónak tűntek” – mondta Dixon, a Stanford Egyetem professzora – „és aztán rájöttem, hogy a számok alapvetően ugyanazok – csak a [sorrend] megfordult. ”
Megfigyelését megosztotta munkatársaival a Zoomon keresztül. A csoport nem tudván, hogy a két szórási amplitúdónak semmi okát nem kellene egyeznie, úgy gondolták, hogy ez talán véletlen. Elkezdték a két amplitúdó kiszámítását fokozatosan magasabb pontossággal (minél nagyobb a pontosság, annál több kifejezést kellett összehasonlítani). A felhívás végére, miután több ezer kifejezést számoltak ki, amelyek folyamatosan megegyeztek, a fizikusok egészen biztosak voltak abban, hogy egy új kettősséggel van dolguk – két különböző jelenség közötti rejtett kapcsolattal, amely nem magyarázható jelenlegi fizikafelfogásunkkal.
Most, a antipodális kettősség, ahogy a kutatók nevezik, megerősítették a 93 millió kifejezést magában foglaló nagy pontosságú számításokat. Míg ez a kettősség a gluonok és más részecskék leegyszerűsített elméletében merül fel, amely nem egészen írja le univerzumunkat, vannak olyan nyomok, amelyek hasonló kettősségre utalhatnak a való világban. A kutatók azt remélik, hogy a furcsa lelet vizsgálata segíthet új összefüggéseket teremteni a részecskefizika látszólag egymással nem összefüggő aspektusai között.
"Ez egy csodálatos felfedezés, mert teljesen váratlan" - mondta Anasztázia Volovics, a Brown Egyetem részecskefizikusa, „és még mindig nincs magyarázat arra, hogy miért kellene igaznak lennie”.
A részecskeszórás DNS-e
Dixon és csapata úgy fedezte fel az antipodális kettősséget, hogy egy speciális „kód” segítségével hatékonyabban számította ki a szórási amplitúdókat, mint a hagyományos módszerekkel. Általában annak a valószínűségének kiszámításához, hogy két nagy energiájú gluon szóródik, és négy kisebb energiájú gluon keletkezik, általában figyelembe kell venni az összes lehetséges utat, amely ezt az eredményt eredményezheti. Ismered a történet elejét és végét (két gluonból négy lesz), de ismerned kell a közepét is – beleértve az összes olyan részecskét, amelyek a kvantumbizonytalanságnak köszönhetően átmenetileg be- és eltűnhetnek. Hagyományosan minden lehetséges középső esemény valószínűségét össze kell adni, egyenként véve őket.
2010-ben ezeket a nehézkes számításokat négy kutató, köztük Volovich is megkerülte, aki parancsikont talált. Felismerték, hogy az amplitúdószámítás bonyolult kifejezései közül sok kiküszöbölhető, ha mindent átszerveznek egy új struktúrába. Az új szerkezet hat alapeleme, az úgynevezett „betűk” olyan változók, amelyek az egyes részecskék energiájának és lendületének kombinációit reprezentálják. A hat betű szavakat alkot, és a szavak egyesülve alkotnak kifejezéseket az egyes szórási amplitúdókban.
Dixon ezt az új sémát a genetikai kóddal hasonlítja össze, amelyben négy kémiai építőelem egyesülve alkotja a géneket egy DNS-szálban. A genetikai kódhoz hasonlóan a „részecskeszórás DNS-ének”, ahogy ő nevezi, vannak szabályok arra vonatkozóan, hogy mely szavak kombinációi megengedettek. E szabályok egy része ismert fizikai vagy matematikai elvekből következik, mások azonban önkényesnek tűnnek. Az egyetlen módja annak, hogy felfedezzünk néhány szabályt, ha rejtett mintákat keresünk a hosszadalmas számításokban.
Miután megtalálták, ezek a kifürkészhetetlen szabályok segítettek a részecskefizikusoknak a szórási amplitúdók sokkal nagyobb pontosságú kiszámításában, mint amit a hagyományos megközelítéssel elérhetnének. Az átalakítás azt is lehetővé tette Dixonnak és munkatársainak, hogy észrevegyék a rejtett kapcsolatot a két látszólag független szóródási amplitúdó között.
Antipód térkép
A kettősség középpontjában az „antipódtérkép” áll. A geometriában az antipódtérkép felvesz egy pontot a gömbön, és megfordítja a koordinátákat, és a gömb középpontján keresztül egyenesen a másik oldalon lévő pontba küld. Ez matematikai megfelelője annak, ha lyukat ásnánk Chilétől Kínáig.
A szóródási amplitúdók tekintetében a Dixon által talált antipódtérkép egy kicsit elvontabb. Megfordítja az amplitúdó kiszámításához használt betűk sorrendjét. Alkalmazza ezt az antipódleképezést a szórási amplitúdó összes tagjára, ha két gluon négy lesz, és (egy egyszerű változóváltás után) ez adja azt az amplitúdót, hogy két gluon egy gluon és egy Higgs lesz.
Dixon DNS-analógiájában a kettősség olyan, mintha egy genetikai szekvenciát visszafelé olvasnánk, és rájönnénk, hogy az egy teljesen új fehérjét kódol, amely nem kapcsolódik az eredeti szekvencia által kódolthoz.
„Régebben mindannyian meg voltunk győződve arról, hogy az antipódtérkép haszontalan. … Úgy tűnt, hogy ennek semmi fizikai jelentősége nincs, vagy semmi értelmeset nem csinált” – mondta Matt von Hippel, a koppenhágai Niels Bohr Intézet amplitúdó specialistája, aki nem vett részt a kutatásban. "És most van ez a teljesen megmagyarázhatatlan kettősség a használatában, ami elég vad."
Nem egészen a mi világunk
Most két nagy kérdés merül fel. Először is, miért létezik a kettősség? Másodszor, találnak-e hasonló kapcsolatot a való világban?
A világunkat alkotó 17 ismert elemi részecske egy egyenletrendszert követ, az úgynevezett A részecskefizika szabványos modellje. A standard modell szerint két gluon, az atommagokat összeragasztó tömeg nélküli részecskék könnyen kölcsönhatásba lépnek egymással, hogy megduplázzák saját számát, és négy gluonná válnak. Egy gluon és egy Higgs-részecske előállításához azonban az ütköző gluonoknak először kvarkká és antikvarkká kell átalakulniuk; ezek aztán gluonná és Higgssé alakulnak át más erő hatására, mint ami a gluonok kölcsönös kölcsönhatásait szabályozza.
Ez a két szórási folyamat annyira különbözik, hogy az egyik a Standard Modell teljesen más szektorát érinti, hogy a kettősség nagyon meglepő lenne.
De az antipodális kettősség még a részecskefizika egyszerűsített modelljében is váratlan, amelyet Dixon és kollégái tanulmányoztak. Játékmodelljük extra szimmetriával szabályozza a kitalált gluonokat, amelyek lehetővé teszik a szórási amplitúdók pontosabb kiszámítását. A kettősség összekapcsol egy olyan szórási folyamatot, amelyben ezek a gluonok vesznek részt, és egy olyan folyamatot, amely külső kölcsönhatást igényel egy másik elmélet által leírt részecskékkel.
Dixon úgy gondolja, hogy nagyon halvány sejtelme van arról, honnan ered a kettősség.
Emlékezzünk vissza a Volovich és munkatársai által talált megmagyarázhatatlan szabályokra, amelyek megszabják, hogy a szóródási amplitúdóban mely szavak kombinációi megengedettek. Úgy tűnik, hogy egyes szabályok önkényesen korlátozzák, hogy a két-gluon-gluon-plusz-Higgs-amplitúdóban mely betűk jelenhetnek meg egymás mellett. Ám leképezi ezeket a szabályokat a dualitás másik oldalára, és átalakul egy halmazzá jól bevált szabályok amelyek biztosítják az ok-okozati összefüggést – garantálják, hogy a bejövő részecskék közötti kölcsönhatások még a kimenő részecskék megjelenése előtt megtörténjenek.
Dixon számára ez egy apró utalás a két amplitúdó közötti mélyebb fizikai kapcsolatra, és okot ad arra, hogy azt gondolja, valami hasonló lehet a Standard Modellben. – De elég gyenge – mondta. – Ez egy másodkézből származó információ.
Az eltérő fizikai jelenségek között már más kettősséget is találtak. Az AdS-CFT levelezés például, amelyben a gravitáció nélküli elméleti világ kettős a gravitációval rendelkező világgal, 1997-es felfedezése óta kutatási cikkek ezreit táplálta. De ez a kettősség is csak egy gravitációs világban létezik, amelynek geometriája a tényleges univerzumtól eltérően elvetemült. Mégis, sok fizikus számára az a tény, hogy világunkban szinte jelen van a többszörös kettősség, arra utal, hogy egy mindent magába foglaló elméleti struktúra felszínét karcolhatják meg, amelyben ezek a meglepő összefüggések megnyilvánulnak. „Azt hiszem, mindannyian részei a történetnek” – mondta Dixon.
