Förra året, partikelfysikern Lance Dixon förberedde en föreläsning när han märkte en slående likhet mellan två formler som han planerade att inkludera i sina bilder.
Formlerna, som kallas spridningsamplituder, ger sannolikheterna för möjliga utfall av partikelkollisioner. En av spridningsamplituderna representerade sannolikheten för att två gluonpartiklar skulle kollidera och producera fyra gluoner; den andra gav sannolikheten för att två gluoner skulle kollidera för att producera en gluon och en Higgspartikel.
"Jag blev lite förvirrad eftersom de såg ut ungefär likadana", sa Dixon, som är professor vid Stanford University, "och sedan insåg jag att siffrorna i princip var desamma - det är bara att [ordningen] hade blivit omvänd. ”
Han delade sin observation med sina medarbetare över Zoom. Eftersom gruppen inte visste någon anledning till att de två spridningsamplituderna skulle överensstämma, trodde gruppen att det kanske var en slump. De började beräkna de två amplituderna med successivt högre precisionsnivåer (ju större precision, desto fler termer var de tvungna att jämföra). I slutet av samtalet, efter att ha beräknat tusentals termer som höll överens, var fysikerna ganska säkra på att de hade att göra med en ny dualitet - en dold koppling mellan två olika fenomen som inte kunde förklaras av vår nuvarande förståelse av fysiken.
Nu, den antipodal dualitet, som forskarna kallar det, har bekräftats för högprecisionsberäkningar som involverar 93 miljoner termer. Även om denna dualitet uppstår i en förenklad teori om gluoner och andra partiklar som inte riktigt beskriver vårt universum, finns det ledtrådar som en liknande dualitet kan ha i den verkliga världen. Forskare hoppas att en undersökning av det konstiga fyndet kan hjälpa dem att skapa nya kopplingar mellan till synes orelaterade aspekter av partikelfysik.
"Det här är en magnifik upptäckt eftersom den är helt oväntad," sa Anastasia Volovich, en partikelfysiker vid Brown University, "och det finns fortfarande ingen förklaring till varför det borde vara sant."
Partikelspridningens DNA
Dixon och hans team upptäckte antipodaldualiteten genom att använda en speciell "kod" för att beräkna spridningsamplituder mer effektivt än de kunde med traditionella metoder. Vanligtvis, för att ta reda på sannolikheten för att två högenergigluoner sprids för att producera fyra lågenergigluoner, till exempel, måste du överväga alla möjliga vägar som kan ge detta resultat. Du känner till början och slutet av berättelsen (två gluoner blir fyra), men du behöver också känna till mitten - inklusive alla partiklar som tillfälligt kan dyka in och ut ur existensen, tack vare kvantosäkerheten. Traditionellt måste du lägga ihop sannolikheten för varje möjlig mellanhändelse, ta dem en i taget.
2010 kringgicks dessa besvärliga beräkningar av fyra forskare, inklusive Volovich, som hittade en genväg. De insåg att många av de komplicerade uttrycken i en amplitudberäkning kunde elimineras genom att omorganisera allt till en ny struktur. De sex grundläggande elementen i den nya strukturen, kallade "bokstäver", är variabler som representerar kombinationer av varje partikels energi och rörelsemängd. De sex bokstäverna utgör ord, och orden kombineras för att bilda termer i varje spridningsamplitud.
Dixon jämför detta nya schema med den genetiska koden, där fyra kemiska byggstenar kombineras för att bilda generna i en DNA-sträng. Precis som den genetiska koden har "partikelspridningens DNA", som han kallar det, regler om vilka kombinationer av ord som är tillåtna. Vissa av dessa regler följer av kända fysiska eller matematiska principer, men andra verkar godtyckliga. Det enda sättet att upptäcka några av reglerna är genom att leta efter dolda mönster i de långa beräkningarna.
När de väl hittats har dessa outgrundliga regler hjälpt partikelfysiker att beräkna spridningsamplituder med mycket högre precisionsnivåer än de kunde uppnå med den traditionella metoden. Omstruktureringen gjorde det också möjligt för Dixon och hans medarbetare att upptäcka den dolda kopplingen mellan de två till synes orelaterade spridningsamplituderna.
Antipode karta
I hjärtat av dualiteten är "antipodkartan." I geometri tar en antipodkarta en punkt på en sfär och inverterar koordinaterna, vilket skickar dig rakt genom sfärens centrum till en punkt på andra sidan. Det är den matematiska motsvarigheten till att gräva ett hål från Chile till Kina.
När det gäller spridningsamplituder är antipodkartan som Dixon hittade lite mer abstrakt. Den inverterar ordningen på bokstäverna som används för att beräkna amplituden. Tillämpa denna antipodkarta på alla termer i spridningsamplituden för två gluoner som blir fyra, och (efter en enkel förändring av variabler) ger detta amplituden för två gluoner som blir en gluon plus en Higgs.
I Dixons DNA-analogi är dualiteten som att läsa en genetisk sekvens baklänges och inse att den kodar för ett helt nytt protein som inte är relaterat till det som kodas av den ursprungliga sekvensen.
"Vi brukade alla vara övertygade om att antipodkartan var värdelös. … Det verkade inte ha någon fysisk betydelse, eller göra något vettigt”, sa Matt von Hippel, en amplitudspecialist vid Niels Bohr Institutet i Köpenhamn som inte var involverad i forskningen. "Och nu finns den här helt oförklarliga dualiteten som använder den, vilket är ganska vild."
Inte riktigt vår värld
Det finns nu två stora frågor. För det första, varför existerar dualiteten? Och för det andra, kommer ett liknande samband att finnas i den verkliga världen?
De 17 kända elementarpartiklarna som utgör vår värld följer en uppsättning ekvationer som kallas Standardmodell för partikelfysik. Enligt standardmodellen interagerar två gluoner, de masslösa partiklarna som limmar ihop atomkärnor, lätt med varandra för att fördubbla sitt eget antal och blir fyra gluoner. Men för att producera en gluon och en Higgspartikel måste kolliderande gluoner först omvandlas till en kvark och en antikvark; dessa omvandlas sedan till en gluon och en Higgs via en annan kraft än den som styr gluonernas ömsesidiga interaktioner.
Dessa två spridningsprocesser är så olika, med en som involverar en helt annan sektor av standardmodellen, att en dualitet mellan dem skulle vara mycket överraskande.
Men den antipodala dualiteten är också oväntad även i den förenklade modellen för partikelfysik som Dixon och hans kollegor studerade. Deras leksaksmodell styr fiktiva gluoner med extra symmetri, vilket möjliggör mer exakta beräkningar av spridningsamplituder. Dualiteten länkar en spridningsprocess som involverar dessa gluoner och en som kräver en extern interaktion med partiklar som beskrivs av en annan teori.
Dixon tror att han har en mycket svag aning om var dualiteten kommer ifrån.
Kom ihåg de oförklarliga regler som Volovich och hennes kollegor hittade som dikterar vilka kombinationer av ord som är tillåtna i en spridningsamplitud. Vissa av reglerna verkar godtyckligt begränsa vilka bokstäver som kan visas bredvid varandra i två-gluon-till-gluon-plus-Higgs-amplituden. Men kartlägg dessa regler till den andra sidan av dualiteten, och de förvandlas till en uppsättning av väletablerade regler som säkerställer kausalitet — garanterar att interaktionerna mellan inkommande partiklar inträffar innan de utgående partiklarna uppträder.
För Dixon är detta en liten antydan om en djupare fysisk koppling mellan de två amplituderne, och en anledning att tro att något liknande kan hålla i standardmodellen. "Men det är ganska svagt," sa han. "Det är liksom begagnad information."
Andra dualiteter mellan olika fysiska fenomen har redan hittats. AdS-CFT-korrespondensen, till exempel, där en teoretisk värld utan tyngdkraft är dubbel med en värld med tyngdkraft, har drivit på tusentals forskningsartiklar sedan upptäckten 1997. Men även denna dualitet existerar bara för en gravitationsvärld med en skev geometri till skillnad från det faktiska universums. Ändå, för många fysiker, antyder det faktum att flera dualiteter nästan finns i vår värld att de kan skrapa på ytan av en allomfattande teoretisk struktur där dessa överraskande samband är uppenbara. "Jag tror att de alla är en del av historien," sa Dixon.
