Tahun lalu, fisikawan partikel Lance Dixon sedang mempersiapkan kuliah ketika dia melihat kesamaan yang mencolok antara dua formula yang dia rencanakan untuk dimasukkan ke dalam slide-nya.
Rumus, yang disebut amplitudo hamburan, memberikan probabilitas kemungkinan hasil tumbukan partikel. Salah satu amplitudo hamburan mewakili kemungkinan dua partikel gluon bertabrakan dan menghasilkan empat gluon; yang lain memberikan kemungkinan dua gluon bertabrakan untuk menghasilkan gluon dan partikel Higgs.
“Saya sedikit bingung karena mereka terlihat mirip,” kata Dixon, seorang profesor di Universitas Stanford, “dan kemudian saya menyadari bahwa angka-angkanya pada dasarnya sama — hanya saja [urutannya] terbalik. ”
Dia berbagi pengamatannya dengan kolaboratornya melalui Zoom. Mengetahui tidak ada alasan mengapa dua amplitudo hamburan harus sesuai, kelompok itu berpikir mungkin itu kebetulan. Mereka mulai menghitung dua amplitudo pada tingkat presisi yang semakin tinggi (semakin besar presisi, semakin banyak istilah yang harus mereka bandingkan). Pada akhir panggilan, setelah menghitung ribuan istilah yang terus setuju, fisikawan cukup yakin bahwa mereka sedang berhadapan dengan dualitas baru — hubungan tersembunyi antara dua fenomena berbeda yang tidak dapat dijelaskan oleh pemahaman kita tentang fisika saat ini.
Sekarang, dualitas antipodal, sebagaimana para peneliti menyebutnya, telah dikonfirmasi untuk perhitungan presisi tinggi yang melibatkan 93 juta istilah. Sementara dualitas ini muncul dalam teori sederhana tentang gluon dan partikel lain yang tidak cukup menggambarkan alam semesta kita, ada petunjuk bahwa dualitas serupa mungkin berlaku di dunia nyata. Para peneliti berharap bahwa menyelidiki temuan aneh ini dapat membantu mereka membuat hubungan baru antara aspek fisika partikel yang tampaknya tidak terkait.
“Ini adalah penemuan yang luar biasa karena sama sekali tidak terduga,” kata Anastasia Volovich, seorang fisikawan partikel di Brown University, "dan masih belum ada penjelasan mengapa itu harus benar."
DNA Hamburan Partikel
Dixon dan timnya menemukan dualitas antipodal dengan menggunakan "kode" khusus untuk menghitung amplitudo hamburan lebih efisien daripada metode tradisional. Biasanya, untuk mengetahui kemungkinan dua gluon berenergi tinggi berhamburan untuk menghasilkan empat gluon berenergi lebih rendah, misalnya, Anda harus mempertimbangkan semua jalur yang mungkin menghasilkan hasil ini. Anda tahu awal dan akhir cerita (dua gluon menjadi empat), tetapi Anda juga perlu mengetahui bagian tengahnya — termasuk semua partikel yang dapat muncul dan menghilang untuk sementara waktu, berkat ketidakpastian kuantum. Secara tradisional, Anda harus menjumlahkan probabilitas dari setiap kemungkinan peristiwa tengah, mengambilnya satu per satu.
Pada tahun 2010, perhitungan rumit ini dielakkan oleh empat peneliti, termasuk Volovich, yang menemukan jalan pintas. Mereka menyadari bahwa banyak ekspresi rumit dalam perhitungan amplitudo dapat dihilangkan dengan mengatur ulang semuanya menjadi struktur baru. Enam elemen dasar dari struktur baru, yang disebut "huruf", adalah variabel yang mewakili kombinasi energi dan momentum setiap partikel. Keenam huruf membentuk kata-kata, dan kata-kata bergabung untuk membentuk istilah di setiap amplitudo hamburan.
Dixon membandingkan skema baru ini dengan kode genetik, di mana empat blok bangunan kimia bergabung untuk membentuk gen dalam untai DNA. Seperti kode genetik, “DNA hamburan partikel”, begitu ia menyebutnya, memiliki aturan tentang kombinasi kata mana yang diperbolehkan. Beberapa aturan ini mengikuti prinsip fisika atau matematika yang diketahui, tetapi yang lain tampak sewenang-wenang. Satu-satunya cara untuk menemukan beberapa aturan adalah dengan mencari pola tersembunyi dalam perhitungan yang panjang.
Setelah ditemukan, aturan yang tidak dapat dipahami ini telah membantu fisikawan partikel menghitung amplitudo hamburan pada tingkat presisi yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat mereka capai dengan pendekatan tradisional. Restrukturisasi juga memungkinkan Dixon dan kolaboratornya untuk menemukan hubungan tersembunyi antara dua amplitudo hamburan yang tampaknya tidak berhubungan.
Peta Antipode
Inti dari dualitas adalah "peta antipode." Dalam geometri, peta antipode mengambil titik pada bola dan membalikkan koordinat, mengirim Anda langsung melalui pusat bola ke titik di sisi lain. Ini setara dengan matematis menggali lubang dari Chili ke Cina.
Dalam amplitudo hamburan, peta antipode yang ditemukan Dixon sedikit lebih abstrak. Ini membalikkan urutan huruf yang digunakan untuk menghitung amplitudo. Terapkan peta antipode ini ke semua suku dalam amplitudo hamburan untuk dua gluon menjadi empat, dan (setelah perubahan variabel yang sederhana) ini menghasilkan amplitudo untuk dua gluon menjadi satu gluon ditambah Higgs.
Dalam analogi DNA Dixon, dualitas itu seperti membaca urutan genetik mundur dan menyadari bahwa itu mengkodekan protein yang sama sekali baru yang tidak berhubungan dengan yang dikodekan oleh urutan aslinya.
“Kami semua dulu yakin bahwa peta antipode tidak berguna. … Tampaknya tidak memiliki arti fisik, atau melakukan sesuatu yang berarti,” kata Matt von Hippel, seorang spesialis amplitudo di Institut Niels Bohr di Kopenhagen yang tidak terlibat dalam penelitian. "Dan sekarang ada dualitas yang sama sekali tidak dapat dijelaskan menggunakannya, yang cukup liar."
Bukan Dunia Kita
Sekarang ada dua pertanyaan besar. Pertama, mengapa dualitas itu ada? Dan kedua, akankah hubungan serupa ditemukan di dunia nyata?
17 partikel dasar yang dikenal yang membentuk dunia kita mematuhi seperangkat persamaan yang disebut Model Standar fisika partikel. Menurut Model Standar, dua gluon, partikel tak bermassa yang merekatkan inti atom, dengan mudah berinteraksi satu sama lain untuk menggandakan jumlah mereka sendiri, menjadi empat gluon. Namun, untuk menghasilkan satu gluon dan satu partikel Higgs, gluon yang bertabrakan harus terlebih dahulu berubah menjadi quark dan antiquark; ini kemudian berubah menjadi gluon dan Higgs melalui kekuatan yang berbeda dari yang mengatur interaksi timbal balik gluon.
Kedua proses hamburan ini sangat berbeda, dengan yang satu melibatkan sektor Model Standar yang sama sekali berbeda, sehingga dualitas di antara keduanya akan sangat mengejutkan.
Tetapi dualitas antipodal juga tidak terduga bahkan dalam model fisika partikel yang disederhanakan yang sedang dipelajari Dixon dan rekan-rekannya. Model mainan mereka mengatur gluon fiksi dengan simetri ekstra, yang memungkinkan perhitungan amplitudo hamburan yang lebih tepat. Dualitas menghubungkan proses hamburan yang melibatkan gluon ini dan proses yang membutuhkan interaksi eksternal dengan partikel yang dijelaskan oleh teori yang berbeda.
Dixon berpikir dia memiliki petunjuk yang sangat lemah tentang dari mana dualitas itu berasal.
Ingat aturan yang tidak dapat dijelaskan yang ditemukan oleh Volovich dan rekan-rekannya yang menentukan kombinasi kata mana yang diizinkan dalam amplitudo hamburan. Beberapa aturan tampaknya secara sewenang-wenang membatasi huruf mana yang dapat muncul di samping satu sama lain dalam amplitudo dua-gluon-ke-gluon-plus-Higgs. Tapi petakan aturan-aturan itu ke sisi lain dari dualitas, dan mereka berubah menjadi seperangkat aturan yang mapan yang memastikan kausalitas — menjamin bahwa interaksi antara partikel yang masuk terjadi sebelum partikel yang keluar muncul.
Bagi Dixon, ini adalah petunjuk kecil tentang hubungan fisik yang lebih dalam antara dua amplitudo, dan alasan untuk berpikir bahwa sesuatu yang serupa mungkin berlaku dalam Model Standar. "Tapi itu cukup lemah," katanya. "Ini, seperti, informasi bekas."
Dualitas lain antara fenomena fisik yang berbeda telah ditemukan. Korespondensi AdS-CFT, misalnya, di mana dunia teoretis tanpa gravitasi sama dengan dunia dengan gravitasi, telah memicu ribuan makalah penelitian sejak penemuannya tahun 1997. Tetapi dualitas ini juga hanya ada untuk dunia gravitasi dengan geometri yang melengkung tidak seperti alam semesta yang sebenarnya. Namun, bagi banyak fisikawan, fakta bahwa dualitas ganda hampir terjadi di dunia kita mengisyaratkan bahwa mereka dapat menggores permukaan struktur teoretis yang mencakup segalanya di mana koneksi mengejutkan ini terwujud. "Saya pikir mereka semua adalah bagian dari cerita," kata Dixon.
