Năm ngoái, nhà vật lý hạt Lance Dixon đang chuẩn bị một bài giảng thì anh ấy nhận thấy sự giống nhau nổi bật giữa hai công thức mà anh ấy định đưa vào các slide của mình.
Các công thức, được gọi là biên độ tán xạ, đưa ra xác suất về các kết quả có thể xảy ra của các vụ va chạm hạt. Một trong những biên độ tán xạ biểu thị xác suất của hai hạt gluon va chạm và tạo ra bốn hạt gluon; phương pháp kia cho xác suất hai gluon va chạm để tạo ra một gluon và một hạt Higgs.
Dixon, giáo sư tại Đại học Stanford, cho biết: “Tôi đã hơi bối rối vì chúng trông giống nhau, và sau đó tôi nhận ra rằng các con số về cơ bản là giống nhau - chỉ là [thứ tự] đã bị đảo ngược. ”
Anh ấy đã chia sẻ quan sát của mình với các cộng tác viên của mình qua Zoom. Không biết lý do gì mà hai biên độ tán xạ lại tương ứng với nhau, nhóm nghĩ rằng có lẽ đó là một sự trùng hợp ngẫu nhiên. Họ bắt đầu tính toán hai biên độ ở mức độ chính xác cao hơn dần dần (độ chính xác càng lớn, họ càng phải so sánh nhiều số hạng hơn). Vào cuối cuộc gọi, sau khi tính toán hàng ngàn thuật ngữ liên tục đồng ý, các nhà vật lý khá chắc chắn rằng họ đang giải quyết một đối ngẫu mới - một mối liên hệ ẩn giữa hai hiện tượng khác nhau mà sự hiểu biết vật lý hiện tại của chúng ta không thể giải thích được.
Bây giờ, đối ngẫu, như các nhà nghiên cứu đang gọi nó, đã được xác nhận cho các phép tính có độ chính xác cao liên quan đến 93 triệu số hạng. Trong khi tính đối ngẫu này nảy sinh trong một lý thuyết đơn giản hóa về gluon và các hạt khác không hoàn toàn mô tả vũ trụ của chúng ta, có những manh mối cho thấy một đối ngẫu tương tự có thể tồn tại trong thế giới thực. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng việc điều tra phát hiện kỳ lạ có thể giúp họ tạo ra những kết nối mới giữa các khía cạnh dường như không liên quan đến vật lý hạt.
“Đây là một khám phá tuyệt vời vì nó hoàn toàn bất ngờ,” nói Anastasia Volovich, một nhà vật lý hạt tại Đại học Brown, “và vẫn chưa có lời giải thích tại sao điều đó là đúng.”
DNA của sự tán xạ hạt
Dixon và nhóm của ông đã phát hiện ra tính đối ngẫu bằng cách sử dụng một “mã” đặc biệt để tính toán các biên độ tán xạ hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Thông thường, để tìm ra xác suất của hai gluon năng lượng cao tán xạ để tạo ra bốn gluon năng lượng thấp hơn, bạn phải xem xét tất cả các con đường có thể mang lại kết quả này. Bạn biết phần đầu và phần cuối của câu chuyện (hai gluon trở thành bốn), nhưng bạn cũng cần biết phần giữa - bao gồm tất cả các hạt có thể tạm thời xuất hiện và không tồn tại, nhờ vào sự không chắc chắn lượng tử. Theo truyền thống, bạn phải cộng xác suất của từng sự kiện có thể xảy ra ở giữa, lấy từng sự kiện một.
Vào năm 2010, những tính toán rườm rà này đã bị bốn nhà nghiên cứu, bao gồm cả Volovich, phá vỡ. đã tìm thấy một lối tắt. Họ nhận ra rằng nhiều biểu thức phức tạp trong phép tính biên độ có thể được loại bỏ bằng cách tổ chức lại mọi thứ thành một cấu trúc mới. Sáu yếu tố cơ bản của cấu trúc mới, được gọi là "chữ cái", là các biến đại diện cho sự kết hợp của năng lượng và động lượng của mỗi hạt. Sáu chữ cái tạo nên các từ, và các từ kết hợp với nhau để tạo thành các thuật ngữ trong mỗi biên độ tán xạ.
Dixon so sánh sơ đồ mới này với mã di truyền, trong đó bốn khối cấu tạo hóa học kết hợp với nhau để tạo thành các gen trong một chuỗi DNA. Giống như mã di truyền, "DNA của sự phân tán hạt", như ông gọi nó, có các quy tắc về sự kết hợp của các từ được phép. Một số quy tắc này tuân theo các nguyên tắc vật lý hoặc toán học đã biết, nhưng những quy tắc khác có vẻ tùy tiện. Cách duy nhất để khám phá một số quy tắc là tìm kiếm các mẫu ẩn trong các phép tính dài dòng.
Sau khi được tìm thấy, những quy tắc khó hiểu này đã giúp các nhà vật lý hạt tính toán được các biên độ tán xạ ở mức độ chính xác cao hơn nhiều so với cách họ có thể đạt được với phương pháp truyền thống. Việc tái cấu trúc cũng cho phép Dixon và các cộng sự của ông phát hiện ra mối liên hệ ẩn giữa hai biên độ tán xạ dường như không liên quan.
Bản đồ giải mã
Trung tâm của đối ngẫu là “bản đồ giải mã”. Trong hình học, bản đồ giải mã lấy một điểm trên hình cầu và đảo ngược tọa độ, đưa bạn đi thẳng qua tâm hình cầu đến một điểm ở phía bên kia. Nó tương đương với toán học của việc đào một cái hố từ Chile đến Trung Quốc.
Trong các biên độ tán xạ, bản đồ phản mã mà Dixon tìm thấy trừu tượng hơn một chút. Nó đảo ngược thứ tự của các chữ cái được sử dụng để tính toán biên độ. Áp dụng ánh xạ phản mã này cho tất cả các số hạng trong biên độ tán xạ cho hai gluon trở thành bốn, và (sau một sự thay đổi đơn giản của các biến), điều này mang lại biên độ cho hai gluon trở thành một gluon cộng với một hạt Higgs.
Trong phép tương tự DNA của Dixon, tính hai mặt giống như đọc ngược trình tự di truyền và nhận ra rằng nó mã hóa một protein hoàn toàn mới không liên quan đến protein được mã hóa bởi trình tự ban đầu.
“Tất cả chúng ta đều từng tin rằng bản đồ giải mã là vô dụng. … Nó dường như không có bất kỳ ý nghĩa vật chất nào hoặc để làm bất kỳ điều gì có ý nghĩa, ”nói Matt von Hippel, một chuyên gia về biên độ tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, người không tham gia vào nghiên cứu. "Và bây giờ có tính hai mặt hoàn toàn không thể giải thích được bằng cách sử dụng nó, điều này khá hoang đường."
Không hoàn toàn là thế giới của chúng ta
Bây giờ có hai câu hỏi lớn. Đầu tiên, tại sao tính hai mặt lại tồn tại? Và thứ hai, liệu một kết nối tương tự có được giữ trong thế giới thực không?
17 hạt cơ bản đã biết bao gồm thế giới của chúng ta tuân theo một tập hợp các phương trình được gọi là Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt. Theo Mô hình Chuẩn, hai gluon, các hạt không khối lượng kết dính các hạt nhân nguyên tử với nhau, dễ dàng tương tác với nhau để nhân đôi số lượng của chúng, trở thành bốn gluon. Tuy nhiên, để tạo ra một hạt gluon và một hạt Higgs, các hạt gluon va chạm trước tiên phải biến đổi thành quark và phản quark; sau đó chúng biến đổi thành gluon và Higgs thông qua một lực khác với lực chi phối tương tác lẫn nhau của gluon.
Hai quá trình phân tán này rất khác nhau, trong đó một quá trình liên quan đến một ngành hoàn toàn khác của Mô hình Chuẩn, nên tính đối ngẫu giữa chúng sẽ rất đáng ngạc nhiên.
Nhưng đối ngẫu cũng không thể ngờ được ngay cả trong mô hình đơn giản hóa của vật lý hạt mà Dixon và các đồng nghiệp của ông đang nghiên cứu. Mô hình đồ chơi của họ điều khiển các gluon hư cấu với các đối xứng bổ sung, cho phép tính toán chính xác hơn các biên độ tán xạ. Tính hai mặt liên kết một quá trình tán xạ liên quan đến các gluon này và một quá trình đòi hỏi tương tác bên ngoài với các hạt được mô tả bởi một lý thuyết khác.
Dixon nghĩ rằng anh ta có một manh mối rất mỏng manh về nguồn gốc của tính hai mặt.
Hãy nhớ lại những quy tắc khó giải thích được Volovich và các đồng nghiệp của cô tìm ra để chỉ ra những tổ hợp từ nào được phép trong một biên độ tán xạ. Một số quy tắc dường như hạn chế tùy ý những chữ cái nào có thể xuất hiện cạnh nhau trong biên độ hai-gluon-to-gluon-plus-Higgs. Nhưng ánh xạ những quy tắc đó sang phía bên kia của đối ngẫu, và chúng biến đổi thành một tập hợp các quy tắc được thiết lập tốt đảm bảo quan hệ nhân quả - đảm bảo rằng tương tác giữa các hạt đến xảy ra trước khi các hạt đi xuất hiện.
Đối với Dixon, đây là một gợi ý nhỏ về mối liên hệ vật lý sâu sắc hơn giữa hai biên độ và là lý do để nghĩ rằng điều gì đó tương tự có thể tồn tại trong Mô hình Chuẩn. “Nhưng nó khá yếu,” anh nói. “Đó là thông tin đã qua sử dụng.”
Các đối tượng khác giữa các hiện tượng vật lý khác nhau đã được tìm thấy. Ví dụ, thư từ AdS-CFT, trong đó một thế giới lý thuyết không có trọng lực là kép với một thế giới có trọng lực, đã thúc đẩy hàng nghìn bài báo nghiên cứu kể từ khi phát hiện năm 1997. Nhưng tính hai mặt này cũng chỉ tồn tại đối với một thế giới hấp dẫn có dạng hình học bị cong vênh không giống như của vũ trụ thực tế. Tuy nhiên, đối với nhiều nhà vật lý, thực tế là nhiều đối ngẫu gần như tồn tại trong thế giới của chúng ta gợi ý rằng chúng có thể đang làm xước bề mặt của một cấu trúc lý thuyết toàn diện, trong đó những mối liên hệ đáng ngạc nhiên này được biểu hiện. Dixon nói: “Tôi nghĩ tất cả chúng đều là một phần của câu chuyện.
