Anul trecut, fizicianul particulelor Lance Dixon pregătea o prelegere când a observat o asemănare izbitoare între două formule pe care plănuia să le includă în diapozitivele sale.
Formulele, numite amplitudini de împrăștiere, oferă probabilitățile posibilelor rezultate ale ciocnirilor de particule. Una dintre amplitudinile de împrăștiere a reprezentat probabilitatea ca două particule de gluoni să se ciocnească și să producă patru gluoni; celălalt a dat probabilitatea ca doi gluoni să se ciocnească pentru a produce un gluon și o particulă Higgs.
„Devenisem puțin confuz pentru că arătau cam asemănător”, a spus Dixon, care este profesor la Universitatea Stanford, „și apoi mi-am dat seama că numerele erau practic aceleași – doar că [ordinea] fusese inversată. ”
El a împărtășit observația sa cu colaboratorii săi la Zoom. Neștiind niciun motiv pentru care cele două amplitudini de împrăștiere ar trebui să corespundă, grupul s-a gândit că poate a fost o coincidență. Au început să calculeze cele două amplitudini la niveluri progresiv mai mari de precizie (cu cât precizia era mai mare, cu atât au avut de comparat mai mulți termeni). Până la sfârșitul apelului, după ce au calculat mii de termeni care au continuat să fie de acord, fizicienii erau destul de siguri că au de-a face cu o nouă dualitate - o legătură ascunsă între două fenomene diferite care nu putea fi explicată prin înțelegerea noastră actuală a fizicii.
Acum, dualitate antipodă, așa cum îl numesc cercetătorii, a fost confirmat pentru calcule de înaltă precizie care implică 93 de milioane de termeni. În timp ce această dualitate apare într-o teorie simplificată a gluonilor și a altor particule care nu descrie în totalitate universul nostru, există indicii că o dualitate similară ar putea avea în lumea reală. Cercetătorii speră că investigarea acestei descoperiri ciudate i-ar putea ajuta să facă noi conexiuni între aspectele aparent neînrudite ale fizicii particulelor.
„Aceasta este o descoperire magnifică, deoarece este total neașteptată”, a spus Anastasia Volovici, un fizician al particulelor de la Universitatea Brown, „și încă nu există o explicație a motivului pentru care ar trebui să fie adevărat”.
ADN-ul împrăștierii particulelor
Dixon și echipa sa au descoperit dualitatea antipodă folosind un „cod” special pentru a calcula amplitudinile de împrăștiere mai eficient decât ar putea cu metodele tradiționale. De obicei, pentru a afla probabilitatea ca doi gluoni de înaltă energie să se împrăștie pentru a produce patru gluoni cu energie mai mică, de exemplu, trebuie să luați în considerare toate căile posibile care ar putea produce acest rezultat. Știi începutul și sfârșitul poveștii (doi gluoni devin patru), dar trebuie să cunoști și mijlocul - inclusiv toate particulele care pot apărea și ieși temporar din existență, datorită incertitudinii cuantice. În mod tradițional, trebuie să adunați probabilitatea fiecărui eveniment de mijloc posibil, luându-le pe rând.
În 2010, aceste calcule greoaie au fost ocolite de patru cercetători, inclusiv Volovich, care a găsit o comandă rapidă. Ei și-au dat seama că multe dintre expresiile complicate dintr-un calcul de amplitudine ar putea fi eliminate prin reorganizarea totul într-o nouă structură. Cele șase elemente de bază ale noii structuri, numite „litere”, sunt variabile care reprezintă combinații ale energiei și impulsului fiecărei particule. Cele șase litere formează cuvinte, iar cuvintele se combină pentru a forma termeni în fiecare amplitudine de împrăștiere.
Dixon compară această nouă schemă cu codul genetic, în care patru blocuri chimice se combină pentru a forma genele dintr-o catenă de ADN. La fel ca codul genetic, „ADN-ul împrăștierii particulelor”, așa cum îl numește el, are reguli cu privire la combinațiile de cuvinte permise. Unele dintre aceste reguli decurg din principii fizice sau matematice cunoscute, dar altele par arbitrare. Singura modalitate de a descoperi unele dintre reguli este căutând modele ascunse în calculele lungi.
Odată găsite, aceste reguli imperceptibile i-au ajutat pe fizicienii particulelor să calculeze amplitudini de împrăștiere la niveluri mult mai mari de precizie decât ar putea obține cu abordarea tradițională. Restructurarea a permis, de asemenea, lui Dixon și colaboratorilor săi să observe legătura ascunsă dintre cele două amplitudini de împrăștiere aparent fără legătură.
Harta Antipode
În centrul dualității se află „harta antipodului”. În geometrie, o hartă cu antipod ia un punct pe o sferă și inversează coordonatele, trimițându-te direct prin centrul sferei către un punct de cealaltă parte. Este echivalentul matematic al săpăturii unei gropi din Chile până în China.
În amplitudinile de împrăștiere, harta antipodului pe care a găsit-o Dixon este puțin mai abstractă. Acesta inversează ordinea literelor utilizate pentru a calcula amplitudinea. Aplicați această hartă de antipod la toți termenii din amplitudinea de împrăștiere pentru doi gluoni care devin patru și (după o simplă schimbare a variabilelor) se obține amplitudinea pentru doi gluoni devenind un gluon plus un Higgs.
În analogia ADN-ului lui Dixon, dualitatea este ca și cum a citi o secvență genetică înapoi și a realiza că aceasta codifică o proteină complet nouă, fără legătură cu cea codificată de secvența originală.
„Obișnuiam cu toții să fim convinși că harta antipodului era inutilă. … Nu părea să aibă nicio semnificație fizică sau să facă ceva semnificativ”, a spus Matt von Hippel, un specialist în amplitudine la Institutul Niels Bohr din Copenhaga care nu a fost implicat în cercetare. „Și acum există această dualitate total inexplicabilă folosind-o, care este destul de sălbatică.”
Nu chiar lumea noastră
Acum sunt două mari întrebări. În primul rând, de ce există dualitatea? Și în al doilea rând, se va găsi o legătură similară care să aibă loc în lumea reală?
Cele 17 particule elementare cunoscute care cuprind lumea noastră respectă un set de ecuații numite Model standard al fizicii particulelor. Conform modelului standard, doi gluoni, particulele fără masă care lipesc nucleele atomice, interacționează cu ușurință unul cu celălalt pentru a-și dubla propriul număr, devenind patru gluoni. Cu toate acestea, pentru a produce un gluon și o particulă Higgs, gluonii care se ciocnesc trebuie mai întâi să se transforme într-un quarc și un antiquarc; acestea se transformă apoi într-un gluon și un Higgs printr-o forță diferită de cea care guvernează interacțiunile reciproce dintre gluoni.
Aceste două procese de împrăștiere sunt atât de diferite, unul care implică un sector complet diferit al Modelului Standard, încât o dualitate între ele ar fi foarte surprinzătoare.
Dar dualitatea antipodă este, de asemenea, neașteptată chiar și în modelul simplificat al fizicii particulelor pe care Dixon și colegii săi îl studiau. Modelul lor de jucărie guvernează gluonii fictivi cu simetrii suplimentare, care permit calcule mai precise ale amplitudinilor de împrăștiere. Dualitatea leagă un proces de împrăștiere care implică acești gluoni și unul care necesită o interacțiune externă cu particule descrise de o teorie diferită.
Dixon crede că are un indiciu foarte slab despre de unde vine dualitatea.
Amintiți-vă acele reguli inexplicabile găsite de Volovich și colegii ei care dictează ce combinații de cuvinte sunt permise într-o amplitudine de împrăștiere. Unele dintre reguli par să restricționeze în mod arbitrar ce litere pot apărea una lângă cealaltă în amplitudinea doi-gluon-la-gluon-plus-Higgs. Dar mapați acele reguli de cealaltă parte a dualității și ele se transformă într-un set de reguli bine stabilite care asigură cauzalitatea — garantând că interacțiunile dintre particulele de intrare au loc înainte de apariția particulelor de ieșire.
Pentru Dixon, acesta este un mic indiciu asupra unei conexiuni fizice mai profunde între cele două amplitudini și un motiv de a crede că ceva similar ar putea avea loc în Modelul Standard. „Dar este destul de slab”, a spus el. „Este, cum ar fi, informații second-hand.”
Au fost deja găsite și alte dualități între fenomene fizice disparate. Corespondența AdS-CFT, de exemplu, în care o lume teoretică fără gravitație este duală cu o lume cu gravitație, a alimentat mii de lucrări de cercetare de la descoperirea sa din 1997. Dar și această dualitate există doar pentru o lume gravitațională cu o geometrie deformată, spre deosebire de cea a universului actual. Cu toate acestea, pentru mulți fizicieni, faptul că dualitățile multiple aproape că există în lumea noastră sugerează că ar putea zgâria suprafața unei structuri teoretice atotcuprinzătoare în care aceste conexiuni surprinzătoare se manifestă. „Cred că toți fac parte din poveste”, a spus Dixon.
