지난해 입자물리학자 랜스 딕슨 강의를 준비하던 중 슬라이드에 포함시키려는 두 공식 사이에 놀라운 유사성을 발견했습니다.
산란 진폭이라고 하는 공식은 입자 충돌의 가능한 결과에 대한 확률을 제공합니다. 산란 진폭 중 하나는 XNUMX개의 글루온 입자가 충돌하여 XNUMX개의 글루온을 생성할 확률을 나타냅니다. 다른 하나는 두 개의 글루온이 충돌하여 글루온과 힉스 입자를 생성할 확률을 제공했습니다.
스탠포드 대학의 교수인 Dixon은 “비슷하게 생겼기 때문에 조금 혼란스러웠습니다. 그리고 나서 숫자가 기본적으로 동일하다는 것을 깨달았습니다. 단지 [순서]가 뒤바뀐 것뿐입니다. "
그는 Zoom을 통해 동료들과 관찰한 내용을 공유했습니다. 두 산란 진폭이 일치해야 하는 이유를 알지 못한 채 그룹은 아마도 우연의 일치라고 생각했습니다. 그들은 점진적으로 더 높은 정밀도 수준에서 두 진폭을 계산하기 시작했습니다(정밀도가 높을수록 더 많은 용어를 비교해야 함). 통화가 끝날 때까지 계속해서 일치하는 수천 개의 용어를 계산한 물리학자들은 현재 물리학에 대한 우리의 이해로는 설명할 수 없는 두 가지 서로 다른 현상 사이의 숨겨진 연결인 새로운 이중성을 다루고 있다는 것을 꽤 확신했습니다.
지금, 대척 이중성, 연구자들이 부르는 것처럼 93만 항을 포함하는 고정밀 계산이 확인되었습니다. 이 이중성은 우리 우주를 완전히 설명하지 못하는 글루온 및 기타 입자의 단순화된 이론에서 발생하지만, 실제 세계에서도 유사한 이중성이 유지될 수 있다는 단서가 있습니다. 연구원들은 이상한 발견을 조사하는 것이 입자 물리학의 겉보기에 관련이 없어 보이는 측면 사이에 새로운 연결을 만드는 데 도움이 될 수 있기를 희망합니다.
"이것은 완전히 예상치 못한 일이기 때문에 대단한 발견입니다."라고 말했습니다. 아나스타샤 볼로비치, Brown University의 입자 물리학자, "그리고 그것이 왜 사실이어야 하는지에 대한 설명은 아직 없습니다."
입자 산란의 DNA
Dixon과 그의 팀은 기존 방법보다 더 효율적으로 산란 진폭을 계산하기 위해 특수 "코드"를 사용하여 대척 이중성을 발견했습니다. 일반적으로, 예를 들어 XNUMX개의 고에너지 글루온이 산란하여 XNUMX개의 저에너지 글루온을 생성할 확률을 알아내려면 이러한 결과를 가져올 수 있는 모든 가능한 경로를 고려해야 합니다. 당신은 이야기의 시작과 끝(글루온 XNUMX개가 XNUMX개가 됨)을 알고 있지만 양자 불확실성 덕분에 일시적으로 존재하거나 존재하지 않을 수 있는 모든 입자를 포함하여 중간도 알아야 합니다. 전통적으로 각 가능한 중간 사건의 확률을 합산하여 한 번에 하나씩 가져와야 합니다.
2010년에 Volovich를 포함한 XNUMX명의 연구원이 이러한 번거로운 계산을 우회했습니다. 단축키를 찾았습니다. 그들은 모든 것을 새로운 구조로 재구성함으로써 진폭 계산의 많은 복잡한 표현을 제거할 수 있다는 것을 깨달았습니다. "문자"라고 하는 새로운 구조의 XNUMX가지 기본 요소는 각 입자의 에너지와 운동량의 조합을 나타내는 변수입니다. 여섯 글자가 단어를 구성하고 단어가 결합하여 각 산란 진폭에서 용어를 형성합니다.
Dixon은 이 새로운 계획을 XNUMX개의 화학적 구성 요소가 결합하여 DNA 가닥에서 유전자를 형성하는 유전 암호와 비교합니다. 유전 암호와 마찬가지로 "입자 산란의 DNA"라고 하는 단어에는 허용되는 단어 조합에 대한 규칙이 있습니다. 이러한 규칙 중 일부는 알려진 물리적 또는 수학적 원리를 따르지만 다른 규칙은 임의적으로 보입니다. 몇 가지 규칙을 발견하는 유일한 방법은 긴 계산에서 숨겨진 패턴을 찾는 것입니다.
일단 발견되면, 이러한 불가사의한 규칙은 입자 물리학자들이 전통적인 접근 방식으로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 수준의 정밀도로 산란 진폭을 계산하는 데 도움이 되었습니다. 구조 조정을 통해 Dixon과 그의 공동 작업자는 겉보기에는 관련이 없어 보이는 두 산란 진폭 사이의 숨겨진 연결을 발견할 수 있었습니다.
대척 지도
이중성의 중심에는 "대척지도"가 있습니다. 기하학에서 대척지도는 구의 한 점을 취하고 좌표를 반전하여 구의 중심을 통해 다른 쪽의 점으로 직선으로 보냅니다. 칠레에서 중국으로 구덩이를 파는 것과 수학적으로 동일합니다.
산란 진폭에서 Dixon이 발견한 대척지도는 좀 더 추상적입니다. 진폭을 계산하는 데 사용되는 문자의 순서를 반전합니다. 이 대척 지도를 XNUMX개의 글루온이 XNUMX가 되는 산란 진폭의 모든 항에 적용하면 (단순한 변수 변경 후) XNUMX개의 글루온이 하나의 글루온과 하나의 힉스가 되는 진폭을 산출합니다.
Dixon의 DNA 비유에서 이원성은 유전자 서열을 거꾸로 읽고 그것이 원래 서열에 의해 암호화된 것과 관련이 없는 완전히 새로운 단백질을 암호화한다는 것을 깨닫는 것과 같습니다.
“우리 모두는 대척지도가 쓸모없다고 확신하곤 했습니다. … 물리적인 의미가 있거나 의미 있는 일을 하는 것 같지는 않았습니다.”라고 말했습니다. 맷 폰 히펠, 연구에 참여하지 않은 코펜하겐 Niels Bohr Institute의 진폭 전문가. "그리고 이제 그것을 사용하는 완전히 설명할 수 없는 이중성이 있습니다. 이것은 꽤 거칠습니다."
우리의 세계가 아닙니다.
이제 두 가지 큰 질문이 있습니다. 첫째, 이중성은 왜 존재하는가? 둘째, 현실 세계에서도 유사한 연결이 발견될까요?
우리 세계를 구성하는 17개의 알려진 기본 입자는 다음과 같은 방정식 세트를 따릅니다. 입자 물리학의 표준 모델. 표준 모델에 따르면 원자핵을 서로 붙이게 하는 질량 없는 입자인 두 개의 글루온은 서로 쉽게 상호작용하여 자신의 수를 두 배로 늘려 XNUMX개의 글루온이 됩니다. 그러나 하나의 글루온과 하나의 힉스 입자를 생성하려면 충돌하는 글루온이 먼저 쿼크와 반쿼크로 변해야 합니다. 이들은 글루온의 상호작용을 지배하는 힘과는 다른 힘을 통해 글루온과 힉스로 변형된다.
이 두 산란 과정은 매우 다르며, 하나는 표준 모델의 완전히 다른 부문을 포함하므로 이들 사이의 이중성은 매우 놀라운 것입니다.
그러나 대척 이중성은 Dixon과 그의 동료들이 연구하고 있던 단순화된 입자 물리학 모델에서도 예상치 못한 것입니다. 그들의 장난감 모델은 추가 대칭으로 가상의 글루온을 제어하므로 산란 진폭을 보다 정확하게 계산할 수 있습니다. 이중성은 이러한 글루온을 포함하는 산란 과정과 다른 이론에 의해 설명된 입자와의 외부 상호 작용을 필요로 하는 과정을 연결합니다.
Dixon은 이중성이 어디에서 오는지에 대해 매우 미약한 실마리를 가지고 있다고 생각합니다.
산란 진폭에서 허용되는 단어 조합을 지시하는 Volovich와 그녀의 동료가 발견한 설명할 수 없는 규칙을 상기하십시오. 일부 규칙은 XNUMX-글루온-글루온-플러스-힉스 진폭에서 서로 옆에 나타날 수 있는 문자를 임의로 제한하는 것으로 보입니다. 그러나 이러한 규칙을 이원성의 반대편에 매핑하면 잘 정립된 규칙 인과관계 보장 — 들어오는 입자 사이의 상호 작용이 나가는 입자가 나타나기 전에 발생하도록 보장합니다.
Dixon에게 이것은 두 진폭 사이의 더 깊은 물리적 연결에 대한 작은 힌트이며, 표준 모델에서도 비슷한 것이 유지될 수 있다고 생각하는 이유입니다. "하지만 그것은 꽤 약하다"고 그는 말했다. "그것은 마치 중고 정보와 같습니다."
이질적인 물리적 현상 사이의 다른 이중성은 이미 발견되었습니다. 예를 들어, 중력이 없는 이론적인 세계와 중력이 있는 세계가 이중적인 AdS-CFT 대응은 1997년 발견 이후 수천 편의 연구 논문에 연료가 되었습니다. 그러나 이 이중성 역시 실제 우주와 달리 기하구조가 뒤틀린 중력세계에서만 존재한다. 그럼에도 불구하고 많은 물리학자들에게 다중 이중성이 우리 세계에 거의 존재한다는 사실은 그것이 이러한 놀라운 연결이 나타나는 모든 것을 포괄하는 이론적 구조의 표면을 긁고 있을 수 있음을 암시합니다. "나는 그것들이 모두 이야기의 일부라고 생각합니다."라고 Dixon이 말했습니다.
