Geçen yıl, parçacık fizikçisi Lance Dixon slaytlarına dahil etmeyi planladığı iki formül arasında çarpıcı bir benzerlik fark ettiğinde bir ders hazırlıyordu.
Saçılma genlikleri adı verilen formüller, parçacık çarpışmalarının olası sonuçlarının olasılıklarını verir. Saçılma genliklerinden biri, iki gluon parçacığının çarpışıp dört gluon üretme olasılığını temsil ediyordu; diğeri ise iki gluonun bir gluon ve bir Higgs parçacığı oluşturmak için çarpışması olasılığını verdi.
Stanford Üniversitesi'nde profesör olan Dixon, “Biraz benzer göründükleri için biraz kafam karıştı” dedi ve “sonra rakamların temelde aynı olduğunu fark ettim - sadece [sıra] tersine dönmüştü. ”
Gözlemini işbirlikçileriyle Zoom üzerinden paylaştı. Grup, iki saçılma genliğinin karşılık gelmesi için hiçbir neden olmadığını bilerek, bunun bir tesadüf olabileceğini düşündü. İki genliği giderek daha yüksek hassasiyet seviyelerinde hesaplamaya başladılar (hassasiyet ne kadar büyükse, karşılaştırmaları gereken terimler de o kadar fazlaydı). Çağrının sonunda, aynı fikirde olmaya devam eden binlerce terim hesapladıktan sonra, fizikçiler yeni bir dualite ile uğraştıklarından oldukça emindiler - şu anki fizik anlayışımızla açıklanamayan iki farklı fenomen arasındaki gizli bir bağlantı.
Şimdi, karşıt ikilik, araştırmacıların dediği gibi, 93 milyon terim içeren yüksek hassasiyetli hesaplamalar için onaylanmıştır. Bu ikilik, evrenimizi tam olarak tanımlamayan basitleştirilmiş bir gluon ve diğer parçacıklar teorisinde ortaya çıkarken, gerçek dünyada benzer bir ikiliğin tutabileceğine dair ipuçları var. Araştırmacılar, garip bulguyu araştırmanın, parçacık fiziğinin görünüşte ilgisiz yönleri arasında yeni bağlantılar kurmalarına yardımcı olabileceğini umuyor.
“Bu muhteşem bir keşif çünkü tamamen beklenmedik bir şey” dedi. Anastasia Voloviç, Brown Üniversitesi'nde bir parçacık fizikçisi, "ve bunun neden doğru olması gerektiğine dair hala bir açıklama yok."
Parçacık Saçılımının DNA'sı
Dixon ve ekibi, saçılma genliklerini geleneksel yöntemlerden daha verimli bir şekilde hesaplamak için özel bir “kod” kullanarak antipodal ikiliği keşfetti. Tipik olarak, örneğin, dört düşük enerjili gluon üretmek için saçılan iki yüksek enerjili gluonun olasılığını bulmak için, bu sonucu verebilecek tüm olası yolları göz önünde bulundurmalısınız. Hikayenin başlangıcını ve sonunu biliyorsunuz (iki gluon dört olur), ama aynı zamanda ortayı da bilmeniz gerekiyor - kuantum belirsizliği sayesinde geçici olarak ortaya çıkıp yok olabilen tüm parçacıklar dahil. Geleneksel olarak, olası her orta olayın olasılığını teker teker alarak toplamanız gerekir.
2010 yılında, bu hantal hesaplamalar, Volovich de dahil olmak üzere dört araştırmacı tarafından atlatıldı. bir kısayol buldu. Bir genlik hesabındaki karmaşık ifadelerin çoğunun, her şeyi yeni bir yapıda yeniden düzenleyerek ortadan kaldırılabileceğini fark ettiler. "Harfler" olarak adlandırılan yeni yapının altı temel öğesi, her parçacığın enerjisinin ve momentumunun kombinasyonlarını temsil eden değişkenlerdir. Altı harf sözcükleri oluşturur ve sözcükler, her bir saçılma genliğinde terimler oluşturmak üzere birleşir.
Dixon, bu yeni şemayı, dört kimyasal yapı bloğunun bir DNA zincirindeki genleri oluşturmak için birleştiği genetik kodla karşılaştırıyor. Genetik kod gibi, "parçacık saçılımının DNA'sı", onun dediği gibi, hangi kelime kombinasyonlarına izin verildiğine dair kurallara sahiptir. Bu kuralların bazıları bilinen fiziksel veya matematiksel ilkelerden kaynaklanır, ancak diğerleri keyfi gibi görünür. Bazı kuralları keşfetmenin tek yolu, uzun hesaplamalarda gizli kalıpları aramaktır.
Bir kez bulunduğunda, bu esrarengiz kurallar, parçacık fizikçilerinin geleneksel yaklaşımla elde edebileceklerinden çok daha yüksek hassasiyet seviyelerinde saçılma genliklerini hesaplamalarına yardımcı oldu. Yeniden yapılandırma, Dixon ve işbirlikçilerinin, görünüşte alakasız iki saçılma genliği arasındaki gizli bağlantıyı tespit etmelerine de izin verdi.
Antipod Haritası
Dualitenin kalbinde “antipod haritası” bulunur. Geometride, bir antipod haritası bir küre üzerinde bir nokta alır ve koordinatları tersine çevirerek sizi doğrudan kürenin merkezinden diğer taraftaki bir noktaya gönderir. Şili'den Çin'e bir çukur kazmanın matematiksel karşılığı.
Saçılma genliklerinde, Dixon'ın bulduğu antipod haritası biraz daha soyut. Genliği hesaplamak için kullanılan harflerin sırasını tersine çevirir. Bu antipod haritasını, iki gluonun dörde dönüşmesi için saçılma genliğindeki tüm terimlere uygulayın ve (basit bir değişken değişikliğinden sonra) bu, iki gluonun bir gluon artı bir Higgs olması için genliği verir.
Dixon'ın DNA analojisinde ikilik, genetik bir diziyi geriye doğru okumak ve orijinal dizi tarafından kodlananla alakasız tamamen yeni bir proteini kodladığını fark etmek gibidir.
"Hepimiz antipod haritasının işe yaramaz olduğuna ikna olmuştuk. … Herhangi bir fiziksel önemi ya da anlamlı bir şey yaptığı görünmüyordu” dedi. Matt Von Hippel, araştırmaya dahil olmayan Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü'nde bir genlik uzmanı. “Ve şimdi onu kullanan tamamen açıklanamaz bir ikilik var, ki bu oldukça vahşi.”
Bizim Dünyamız Değil
Şimdi iki büyük soru var. Birincisi, dualite neden var? İkincisi, gerçek dünyada da benzer bir bağlantı bulunacak mı?
Dünyamızı oluşturan bilinen 17 temel parçacık, bir dizi denkleme uyar. Parçacık fiziğinin standart modeli. Standart Modele göre, atom çekirdeklerini birbirine yapıştıran kütlesiz parçacıklar olan iki gluon, birbirleriyle kolayca etkileşerek kendi sayılarını ikiye katlayarak dört gluon haline gelir. Bununla birlikte, bir gluon ve bir Higgs parçacığı üretmek için, çarpışan gluonların önce bir kuark ve bir antikuark haline dönüşmesi gerekir; bunlar daha sonra, gluonların karşılıklı etkileşimlerini yöneten güçten farklı bir kuvvet aracılığıyla bir gluon ve bir Higgs'e dönüşür.
Bu iki saçılma süreci, biri Standart Modelin tamamen farklı bir bölümünü içeren o kadar farklıdır ki, aralarında bir ikilik olması çok şaşırtıcı olurdu.
Ancak, Dixon ve meslektaşlarının üzerinde çalıştığı basitleştirilmiş parçacık fiziği modelinde bile antipodal ikilik beklenmedik bir durum. Oyuncak modelleri, saçılma genliklerinin daha kesin hesaplamalarını sağlayan ekstra simetrilere sahip kurgusal gluonları yönetir. İkilik, bu gluonları içeren bir saçılma sürecini ve farklı bir teori tarafından tanımlanan parçacıklarla harici bir etkileşim gerektiren süreci birbirine bağlar.
Dixon, ikiliğin nereden geldiğine dair çok belirsiz bir ipucuna sahip olduğunu düşünüyor.
Volovich ve meslektaşları tarafından bulunan ve hangi kelime kombinasyonlarına saçılma genliğinde izin verildiğini belirleyen açıklanamaz kuralları hatırlayın. Kurallardan bazıları, iki-gluon-gluon-artı-Higgs genliğinde hangi harflerin yan yana görünebileceğini keyfi olarak kısıtlıyor gibi görünüyor. Ancak bu kuralları dualitenin diğer tarafına eşleyin ve bir dizi kurala dönüşürler. yerleşik kurallar nedenselliği sağlayan - gelen parçacıklar arasındaki etkileşimlerin, giden parçacıklar ortaya çıkmadan önce gerçekleştiğini garanti eden.
Dixon için bu, iki genlik arasındaki daha derin bir fiziksel bağlantıya dair küçük bir ipucu ve Standart Modelde de benzer bir şeyin olabileceğini düşünmek için bir neden. "Ama oldukça zayıf," dedi. "İkinci el bilgi gibi."
Birbirinden farklı fiziksel fenomenler arasındaki diğer ikilikler zaten bulunmuştur. Örneğin, yerçekimi olmayan teorik bir dünyanın yerçekimi olan bir dünyaya ikili olduğu AdS-CFT yazışması, 1997'deki keşfinden bu yana binlerce araştırma makalesini ateşledi. Ancak bu ikilik de, gerçek evreninkinden farklı olarak çarpık bir geometriye sahip kütleçekimsel bir dünya için mevcuttur. Yine de, birçok fizikçi için, dünyamızda birden fazla ikiliğin neredeyse geçerli olduğu gerçeği, bu şaşırtıcı bağlantıların tezahür ettiği her şeyi kapsayan bir teorik yapının yüzeyini çizebileceklerini ima ediyor. Dixon, “Bence hepsi hikayenin bir parçası” dedi.
