昨年、素粒子物理学者 ランスディクソン 講義の準備をしていると、スライドに含める予定の XNUMX つの式が非常に似ていることに気付きました。
散乱振幅と呼ばれる式は、粒子衝突の起こり得る結果の確率を示します。 散乱振幅の XNUMX つは、XNUMX つのグルオン粒子が衝突して XNUMX つのグルオンを生成する確率を表しています。 もうXNUMXつは、XNUMXつのグルオンが衝突してグルオンとヒッグス粒子を生成する確率を与えました。
スタンフォード大学の教授であるディクソン氏は、「見た目が少し似ていたので、少し混乱していました」と述べています。 」
彼は、ズームを介して協力者と観察を共有しました。 XNUMX つの散乱振幅が対応している理由がわからないため、グループはおそらく偶然だと考えました。 彼らは、XNUMX つの振幅の計算を徐々に高い精度で開始しました (精度が高いほど、比較する項が多くなります)。 電話会議の終わりまでに、一致し続ける何千もの用語を計算した物理学者たちは、新しい二重性、つまり現在の物理学の理解では説明できない XNUMX つの異なる現象間の隠された関係を扱っていることを確信していました。
今、 対蹠双対性、研究者が呼んでいるように、93万項を含む高精度の計算が確認されています。 この二重性は、私たちの宇宙を完全には説明していないグルーオンやその他の粒子の単純化された理論で発生しますが、同様の二重性が現実の世界で保持される可能性があるという手がかりがあります. 研究者たちは、この奇妙な発見を調査することで、一見無関係に見える素粒子物理学の側面を新たに結びつけることができると期待しています。
「まったく予想外だったので、これは素晴らしい発見です」と彼は言いました。 アナスタシア・ボロビッチ、ブラウン大学の素粒子物理学者、「そして、なぜそれが真実であるべきかについての説明はまだありません。」
粒子散乱のDNA
ディクソンと彼のチームは、特別な「コード」を使用して、従来の方法よりも効率的に散乱振幅を計算することにより、対蹠双対性を発見しました。 通常、たとえば、XNUMX つの高エネルギー グルオンが散乱して XNUMX つの低エネルギー グルオンが生成される確率を計算するには、この結果をもたらす可能性のあるすべての経路を考慮する必要があります。 物語の始まりと終わり (XNUMX つのグルオンが XNUMX になる) を知っていますが、途中のことも知っておく必要があります。これには、量子の不確実性のおかげで、一時的に存在したり消えたりする可能性のあるすべての粒子が含まれます。 伝統的に、可能性のある各中間イベントの確率を、一度に XNUMX つずつ合計する必要があります。
2010 年、これらの面倒な計算は、Volovich を含む XNUMX 人の研究者によって回避されました。 ショートカットを見つけました。 彼らは、振幅計算の複雑な式の多くは、すべてを新しい構造に再編成することで排除できることに気付きました。 「文字」と呼ばれる新しい構造の XNUMX つの基本要素は、各粒子のエネルギーと運動量の組み合わせを表す変数です。 XNUMX つの文字が単語を構成し、これらの単語が組み合わさって各散乱振幅の項が形成されます。
Dixon は、この新しいスキームを、XNUMX つの化学構成要素が結合して DNA 鎖の遺伝子を形成する遺伝暗号と比較します。 遺伝子コードのように、彼が呼ぶ「粒子散乱の DNA」には、許可される単語の組み合わせに関する規則があります。 これらの規則の一部は、既知の物理的または数学的原理に従っていますが、恣意的に見えるものもあります。 いくつかの規則を発見する唯一の方法は、長い計算の中に隠れたパターンを探すことです。
これらの不可解なルールが発見されると、素粒子物理学者が従来のアプローチで達成できるよりもはるかに高いレベルの精度で散乱振幅を計算するのに役立ちました。 再構成により、Dixon と彼の共同研究者は、一見無関係に見える XNUMX つの散乱振幅の間に隠された関係を発見することもできました。
対蹠地の地図
二元性の中心にあるのは「対蹠地図」です。 ジオメトリでは、対蹠マップは球上の点を取り、座標を反転して、球の中心を通って反対側の点にまっすぐ送ります。 これは、チリから中国まで穴を掘ることに数学的に相当します。
散乱振幅では、ディクソンが見つけた対蹠地マップはもう少し抽象的です。 振幅の計算に使用される文字の順序を逆にします。 この対蹠マップを XNUMX つのグルオンが XNUMX になる散乱振幅のすべての項に適用すると、(変数を単純に変更した後) XNUMX つのグルオンが XNUMX つのグルオンと XNUMX つのヒッグスになる振幅が得られます。
ディクソンの DNA アナロジーでは、二重性は、遺伝子配列を逆方向に読んで、元の配列によってコードされたものとは無関係のまったく新しいタンパク質をコードしていることに気付くようなものです。
「私たちは皆、対蹠地図は役に立たないと確信していました。 …それは物理的な意味を持っていないようで、何か意味のあることをしているようには見えませんでした. マット・フォン・ヒッペル、コペンハーゲンのニールス ボーア研究所の振幅専門家で、この研究には関与していませんでした。 「そして今、それを使用したこのまったく説明のつかない二元性があり、それはかなりワイルドです。」
私たちの世界ではない
ここで、大きな疑問が XNUMX つあります。 まず、二元性はなぜ存在するのか？ そして第二に、現実の世界でも同様の関係が保たれるでしょうか?
私たちの世界を構成する既知の 17 の素粒子は、 素粒子物理学の標準モデル. 標準モデルによると、原子核をくっつける質量のない粒子である XNUMX つのグルオンは、互いに簡単に相互作用してその数が XNUMX 倍になり、XNUMX つのグルオンになります。 ただし、XNUMX つのグルオンと XNUMX つのヒッグス粒子を生成するには、衝突するグルオンが最初にクォークと反クォークに変化する必要があります。 これらは、グルオンの相互相互作用を支配する力とは異なる力を介して、グルオンとヒッグスに変換されます。
これらの XNUMX つの散乱プロセスは非常に異なっており、一方は標準モデルのまったく異なるセクターに関与しているため、それらの間の二重性は非常に驚くべきことです。
しかし、対蹠双対性は、ディクソンと彼の同僚が研究していた素粒子物理学の単純化されたモデルにおいてさえ予想外です。 彼らのおもちゃのモデルは、散乱振幅のより正確な計算を可能にする追加の対称性を持つ架空のグルオンを管理します。 二重性は、これらのグルオンが関与する散乱プロセスと、別の理論によって説明される粒子との外部相互作用を必要とするプロセスを結びつけます。
ディクソンは、二重性がどこから来るのかについて非常に希薄な手がかりを持っていると考えています。
Volovich と彼女の同僚によって発見された、散乱振幅で許可される単語の組み合わせを決定する不可解な規則を思い出してください。 いくつかの規則は、XNUMX グルオン対グルオン + ヒッグス振幅でどの文字が隣り合って現れるかを恣意的に制限しているようです。 しかし、それらのルールを二元性の反対側にマッピングすると、それらは一連の 確立されたルール 因果関係を保証する — 入ってくる粒子間の相互作用が、出て行く粒子が現れる前に起こることを保証します。
ディクソンにとって、これは XNUMX つの振幅間のより深い物理的接続の小さなヒントであり、標準モデルでも同様のことが成り立つと考える理由です。 「しかし、それはかなり弱いです」と彼は言いました。 「それは、まるで、中古情報です。」
異なる物理現象間の他の二重性は、すでに発見されています。 たとえば、重力のない理論上の世界と重力のある世界の双対である AdS-CFT 対応は、1997 年の発見以来、何千もの研究論文を刺激してきました。 しかし、この二重性も、実際の宇宙とは異なり、幾何学が歪んだ重力の世界にしか存在しません。 それでも、多くの物理学者にとって、私たちの世界に複数の双対性がほぼ成り立っているという事実は、これらの驚くべきつながりが明らかになる包括的な理論構造の表面を引っ掻いている可能性があることを示唆しています. 「それらはすべて物語の一部だと思います」とディクソンは言いました。
