Vorig jaar heeft de deeltjesfysicus Lans Dixon een lezing aan het voorbereiden was toen hij een opvallende overeenkomst opmerkte tussen twee formules die hij in zijn dia's wilde opnemen.
De formules, verstrooiingsamplitudes genaamd, geven de waarschijnlijkheid van mogelijke uitkomsten van deeltjesbotsingen. Een van de verstrooiingsamplitudes vertegenwoordigde de kans dat twee gluondeeltjes botsen en vier gluonen produceren; de andere gaf de kans dat twee gluonen botsen om een gluon en een Higgs-deeltje te produceren.
"Ik raakte een beetje in de war omdat ze er ongeveer hetzelfde uitzagen," zei Dixon, een professor aan de Stanford University, "en toen realiseerde ik me dat de cijfers in wezen hetzelfde waren - het is alleen dat de [volgorde] was omgekeerd. ”
Hij deelde zijn observatie met zijn medewerkers via Zoom. Omdat ze geen reden wisten waarom de twee verstrooiingsamplitudes zouden moeten overeenkomen, dacht de groep dat het misschien toeval was. Ze begonnen de twee amplitudes te berekenen met steeds hogere precisieniveaus (hoe groter de precisie, hoe meer termen ze moesten vergelijken). Tegen het einde van het gesprek, na duizenden termen te hebben berekend die het steeds met elkaar eens waren, waren de natuurkundigen er vrij zeker van dat ze te maken hadden met een nieuwe dualiteit - een verborgen verband tussen twee verschillende fenomenen die niet konden worden verklaard door ons huidige begrip van de natuurkunde.
Nu, de antipodale dualiteit, zoals de onderzoekers het noemen, is bevestigd voor zeer nauwkeurige berekeningen met 93 miljoen termen. Hoewel deze dualiteit ontstaat in een vereenvoudigde theorie van gluonen en andere deeltjes die ons universum niet helemaal beschrijft, zijn er aanwijzingen dat een vergelijkbare dualiteit in de echte wereld zou kunnen bestaan. Onderzoekers hopen dat het onderzoeken van de vreemde bevinding hen kan helpen nieuwe verbanden te leggen tussen schijnbaar niet-gerelateerde aspecten van deeltjesfysica.
"Dit is een geweldige ontdekking omdat het totaal onverwacht is", zei Anastasia Volovitsj, een deeltjesfysicus aan de Brown University, "en er is nog steeds geen verklaring waarom het waar zou moeten zijn."
Het DNA van deeltjesverstrooiing
Dixon en zijn team ontdekten de antipodale dualiteit door een speciale "code" te gebruiken om verstrooiingsamplitudes efficiënter te berekenen dan met traditionele methoden. Om de kans te berekenen dat twee hoogenergetische gluonen zich verspreiden om bijvoorbeeld vier laagenergetische gluonen te produceren, moet u gewoonlijk alle mogelijke paden overwegen die deze uitkomst kunnen opleveren. Je kent het begin en het einde van het verhaal (twee gluonen worden vier), maar je moet ook het midden weten - inclusief alle deeltjes die tijdelijk in en uit het bestaan kunnen springen dankzij kwantumonzekerheid. Traditioneel moet je de waarschijnlijkheid van elke mogelijke middelste gebeurtenis bij elkaar optellen en ze één voor één nemen.
In 2010 werden deze omslachtige berekeningen omzeild door vier onderzoekers, waaronder Volovich, die: een snelkoppeling gevonden. Ze realiseerden zich dat veel van de gecompliceerde uitdrukkingen in een amplitudeberekening konden worden geëlimineerd door alles in een nieuwe structuur te reorganiseren. De zes basiselementen van de nieuwe structuur, 'letters' genoemd, zijn variabelen die combinaties van de energie en het momentum van elk deeltje vertegenwoordigen. De zes letters vormen woorden en de woorden vormen samen termen in elke verstrooiingsamplitude.
Dixon vergelijkt dit nieuwe schema met de genetische code, waarin vier chemische bouwstenen worden gecombineerd om de genen in een DNA-streng te vormen. Net als de genetische code heeft het 'DNA van deeltjesverstrooiing', zoals hij het noemt, regels over welke woordcombinaties zijn toegestaan. Sommige van deze regels volgen uit bekende fysische of wiskundige principes, maar andere lijken willekeurig. De enige manier om enkele regels te ontdekken, is door te zoeken naar verborgen patronen in de lange berekeningen.
Eenmaal gevonden, hebben deze ondoorgrondelijke regels deeltjesfysici geholpen om verstrooiingsamplitudes te berekenen met veel hogere precisieniveaus dan ze zouden kunnen bereiken met de traditionele benadering. De herstructurering stelde Dixon en zijn medewerkers ook in staat om de verborgen verbinding tussen de twee schijnbaar niet-gerelateerde verstrooiingsamplitudes te ontdekken.
Antipode-kaart
De kern van de dualiteit is de 'antipodenkaart'. In de meetkunde neemt een antipodekaart een punt op een bol en keert de coördinaten om, waardoor je dwars door het middelpunt van de bol naar een punt aan de andere kant wordt gestuurd. Het is het wiskundige equivalent van het graven van een gat van Chili naar China.
In verstrooiingsamplitudes is de antipodenkaart die Dixon vond iets abstracter. Het keert de volgorde van de letters om die worden gebruikt om de amplitude te berekenen. Pas deze antipode-kaart toe op alle termen in de verstrooiingsamplitude voor twee gluonen die vier worden, en (na een eenvoudige verandering van variabelen) levert dit de amplitude op voor twee gluonen die één gluon worden plus een Higgs.
In de DNA-analogie van Dixon is de dualiteit als het achteruit lezen van een genetische sequentie en beseffen dat het codeert voor een totaal nieuw eiwit dat geen verband houdt met het eiwit dat door de oorspronkelijke sequentie wordt gecodeerd.
“Vroeger waren we er allemaal van overtuigd dat de antipode-kaart nutteloos was. … Het leek geen fysieke betekenis te hebben, of iets zinvols te doen,” zei Matt von Hippel, een amplitudespecialist aan het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen die niet bij het onderzoek betrokken was. "En nu is er een totaal onverklaarbare dualiteit die het gebruikt, wat behoorlijk wild is."
Niet helemaal onze wereld
Er zijn nu twee grote vragen. Ten eerste, waarom bestaat de dualiteit? En ten tweede, zal een vergelijkbaar verband worden gevonden in de echte wereld?
De 17 bekende elementaire deeltjes waaruit onze wereld bestaat, houden zich aan een reeks vergelijkingen die de worden genoemd Standaardmodel van deeltjesfysica. Volgens het standaardmodel interageren twee gluonen, de massaloze deeltjes die atoomkernen aan elkaar lijmen, gemakkelijk met elkaar om hun eigen aantal te verdubbelen, waardoor ze vier gluonen worden. Om echter één gluon en één Higgs-deeltje te produceren, moeten botsende gluonen eerst veranderen in een quark en een antiquark; deze transformeren vervolgens in een gluon en een Higgs via een andere kracht dan de kracht die de onderlinge interacties van gluonen bepaalt.
Deze twee verstrooiingsprocessen zijn zo verschillend, waarbij één een geheel andere sector van het standaardmodel omvat, dat een dualiteit ertussen zeer verrassend zou zijn.
Maar de antipodale dualiteit is ook onverwacht, zelfs in het vereenvoudigde model van deeltjesfysica dat Dixon en zijn collega's bestudeerden. Hun speelgoedmodel regelt fictieve gluonen met extra symmetrieën, die nauwkeurigere berekeningen van verstrooiingsamplitudes mogelijk maken. De dualiteit verbindt een verstrooiingsproces waarbij deze gluonen betrokken zijn en een proces dat een externe interactie vereist met deeltjes beschreven door een andere theorie.
Dixon denkt dat hij een heel vaag idee heeft over waar de dualiteit vandaan komt.
Denk aan die onverklaarbare regels die Volovich en haar collega's hebben gevonden en die bepalen welke combinaties van woorden zijn toegestaan in een verstrooiingsamplitude. Sommige regels lijken willekeurig te beperken welke letters naast elkaar kunnen verschijnen in de amplitude van twee gluonen naar gluon plus Higgs. Maar wijs die regels toe aan de andere kant van de dualiteit, en ze transformeren in een set van gevestigde regels die zorgen voor causaliteit - garanderen dat de interacties tussen binnenkomende deeltjes plaatsvinden voordat de uitgaande deeltjes verschijnen.
Voor Dixon is dit een kleine hint naar een diepere fysieke verbinding tussen de twee amplitudes, en een reden om te denken dat iets soortgelijks zou kunnen gelden in het standaardmodel. 'Maar het is nogal zwak', zei hij. "Het is als het ware informatie uit de tweede hand."
Andere dualiteiten tussen ongelijksoortige fysieke verschijnselen zijn al gevonden. De AdS-CFT-correspondentie, bijvoorbeeld, waarin een theoretische wereld zonder zwaartekracht dubbel is aan een wereld met zwaartekracht, heeft sinds de ontdekking in 1997 duizenden onderzoekspapers gevoed. Maar ook deze dualiteit bestaat alleen voor een zwaartekrachtwereld met een vervormde geometrie in tegenstelling tot die van het eigenlijke universum. Toch suggereert het feit dat meerdere dualiteiten in onze wereld bijna bestaan, voor veel natuurkundigen dat ze de oppervlakte zouden kunnen bekrassen van een allesomvattende theoretische structuur waarin deze verrassende verbindingen zich manifesteren. "Ik denk dat ze allemaal deel uitmaken van het verhaal," zei Dixon.
