Останній рік, фізик елементарних частинок Ленс Діксон Готуючи лекцію, він помітив разючу подібність між двома формулами, які планував включити у свої слайди.
Формули, які називаються амплітудами розсіювання, дають ймовірності можливих результатів зіткнень частинок. Одна з амплітуд розсіювання представляла ймовірність зіткнення двох глюонних частинок і утворення чотирьох глюонів; інша давала ймовірність зіткнення двох глюонів, утворюючи глюон і частинку Хіггса.
«Я трохи збентежився, тому що вони виглядали схожими, — сказав Діксон, який є професором Стенфордського університету, — а потім я зрозумів, що цифри в основному однакові — просто [порядок] змінився. »
Своїми спостереженнями він поділився зі своїми колегами через Zoom. Не знаючи жодної причини, чому дві амплітуди розсіювання повинні відповідати, група подумала, що, можливо, це був збіг. Вони почали обчислювати дві амплітуди з прогресивно вищими рівнями точності (чим більша точність, тим більше членів їм доводилося порівнювати). До кінця розмови, обчисливши тисячі термінів, які постійно збігалися, фізики були майже впевнені, що мають справу з новою подвійністю — прихованим зв’язком між двома різними явищами, який неможливо пояснити нашим поточним розумінням фізики.
Тепер, антиподальна подвійність, як його називають дослідники, було підтверджено для високоточних обчислень, що включають 93 мільйони термінів. Хоча ця подвійність виникає в спрощеній теорії глюонів та інших частинок, яка не зовсім описує наш Всесвіт, є підказки того, що подібна подвійність може мати місце в реальному світі. Дослідники сподіваються, що дослідження цієї дивної знахідки допоможе їм встановити нові зв’язки між, здавалося б, непов’язаними аспектами фізики елементарних частинок.
«Це чудове відкриття, тому що воно абсолютно несподіване», — сказав він Анастасія Волович, фізик елементарних частинок з Університету Брауна, «і досі немає пояснення, чому це має бути правдою».
ДНК розсіювання частинок
Діксон і його команда виявили антиподну дуальність, використовуючи спеціальний «код» для обчислення амплітуд розсіювання більш ефективно, ніж вони могли б традиційними методами. Як правило, щоб визначити ймовірність розсіювання двох високоенергетичних глюонів із утворенням чотирьох глюонів з меншою енергією, наприклад, ви повинні розглянути всі можливі шляхи, які можуть призвести до цього результату. Ви знаєте початок і кінець історії (два глюони перетворюються на чотири), але вам також потрібно знати середину — включаючи всі частинки, які можуть тимчасово з’являтися та зникати завдяки квантовій невизначеності. Традиційно ви повинні скласти ймовірність кожної можливої середньої події, беручи їх по черзі.
У 2010 році ці громіздкі розрахунки вдалося обійти чотирма дослідниками, включаючи Воловича, який знайшов ярлик. Вони зрозуміли, що багато складних виразів у обчисленні амплітуди можна усунути, реорганізувавши все в нову структуру. Шість основних елементів нової структури, які називаються «літерами», є змінними, що представляють комбінації енергії та імпульсу кожної частинки. Шість літер утворюють слова, а слова об’єднуються, утворюючи терміни в кожній амплітуді розсіювання.
Діксон порівнює цю нову схему з генетичним кодом, у якому чотири хімічні будівельні блоки поєднуються, щоб утворити гени в ланцюжку ДНК. Подібно до генетичного коду, «ДНК розсіювання частинок», як він це називає, має правила щодо дозволених комбінацій слів. Деякі з цих правил випливають із відомих фізичних або математичних принципів, але інші здаються довільними. Єдиний спосіб виявити деякі правила — це знайти приховані закономірності в довгих обчисленнях.
Після виявлення ці незбагненні правила допомогли фізикам елементарних частинок розрахувати амплітуди розсіювання з набагато вищими рівнями точності, ніж вони могли б досягти за допомогою традиційного підходу. Реструктуризація також дозволила Діксону та його співробітникам помітити прихований зв’язок між двома, здавалося б, не пов’язаними між собою амплітудами розсіювання.
Карта антипода
В основі подвійності лежить «карта-антипод». У геометрії карта-антипод бере точку на сфері та інвертує координати, надсилаючи вас прямо через центр сфери до точки з іншого боку. Це математичний еквівалент копання ями від Чилі до Китаю.
Що стосується амплітуд розсіювання, карта антипода, яку знайшов Діксон, є трохи більш абстрактною. Він інвертує порядок літер, які використовуються для обчислення амплітуди. Застосуйте цю карту антипода до всіх членів амплітуди розсіювання для двох глюонів, які перетворюються на чотири, і (після простої зміни змінних) це дає амплітуду для двох глюонів, які перетворюються на один глюон плюс Хіггса.
У аналогії ДНК Діксона подвійність подібна до прочитання генетичної послідовності назад і усвідомлення того, що вона кодує абсолютно новий білок, не пов’язаний з білком, закодованим оригінальною послідовністю.
«Ми всі були впевнені, що карта-антипод марна. … Здавалося, це не мало ніякого фізичного значення або не могло зробити нічого значущого», – сказав Метт фон Гіппель, фахівець з амплітуди в Інституті Нільса Бора в Копенгагені, який не брав участі в дослідженні. «І тепер є ця абсолютно незрозуміла подвійність, яка використовує це, що є досить диким».
Не зовсім наш світ
Зараз є два великих питання. По-перше, чому існує подвійність? А по-друге, чи знайдеться подібний зв’язок у реальному світі?
17 відомих елементарних частинок, з яких складається наш світ, відповідають набору рівнянь, які називаються Стандартна модель фізики елементарних частинок. Згідно зі Стандартною моделлю, два глюони, безмасові частинки, які склеюють атомні ядра, легко взаємодіють один з одним, подвоюючи свою кількість, перетворюючись на чотири глюони. Однак, щоб створити один глюон і одну частинку Хіггса, глюони, що стикаються, повинні спочатку перетворитися на кварк і антикварк; потім вони перетворюються на глюон і Хіггса за допомогою сили, відмінної від тієї, що керує взаємодією глюонів.
Ці два процеси розсіювання настільки різні, причому один включає зовсім інший сектор Стандартної моделі, що подвійність між ними була б дуже дивною.
Але антиподальна подвійність також є несподіваною навіть у спрощеній моделі фізики елементарних частинок, яку вивчали Діксон та його колеги. Їхня іграшкова модель керує вигаданими глюонами з додатковою симетрією, що дозволяє точніше обчислювати амплітуди розсіювання. Подвійність пов’язує процес розсіювання за участю цих глюонів і процес, який вимагає зовнішньої взаємодії з частинками, описаного іншою теорією.
Діксон вважає, що він має дуже слабке уявлення про те, звідки походить подвійність.
Згадайте ті незрозумілі правила, знайдені Волович та її колегами, які диктують, які комбінації слів дозволені в амплітуді розсіювання. Деякі правила, здається, довільно обмежують, які букви можуть з’являтися поруч одна з одною в амплітуді два глюони-глюони-плюс Хіггс. Але відображайте ці правила на іншій стороні подвійності, і вони перетворюються на набір добре встановлені правила які забезпечують причинність — гарантують, що взаємодії між вхідними частинками відбуваються до появи вихідних частинок.
Для Діксона це крихітний натяк на глибший фізичний зв’язок між двома амплітудами та привід думати, що щось подібне може мати місце в Стандартній моделі. "Але це досить слабко", - сказав він. «Це ніби інформація з інших рук».
Інші подвійності між різними фізичними явищами вже були виявлені. Наприклад, листування AdS-CFT, у якому теоретичний світ без гравітації подвійний світу з гравітацією, підживило тисячі дослідницьких робіт з моменту його відкриття в 1997 році. Але ця подвійність також існує лише для гравітаційного світу з викривленою геометрією, яка не схожа на реальний Всесвіт. Тим не менш, для багатьох фізиків той факт, що численні подвійності майже зберігаються в нашому світі, натякає на те, що вони можуть дряпати поверхню всеохоплюючої теоретичної структури, в якій проявляються ці дивовижні зв’язки. «Я думаю, що всі вони є частиною історії», — сказав Діксон.
