Lansko leto fizik delcev Lance Dixon je pripravljal predavanje, ko je opazil presenetljivo podobnost med dvema formulama, ki ju je nameraval vključiti v svoje diapozitive.
Formule, imenovane amplitude sipanja, podajajo verjetnosti možnih izidov trkov delcev. Ena od amplitud sipanja je predstavljala verjetnost, da dva gluonska delca trčita in proizvedeta štiri gluone; drugi je dal verjetnost, da dva gluona trčita, da nastaneta gluon in Higgsov delec.
»Postajal sem nekoliko zmeden, ker sta bila videti nekako podobna,« je dejal Dixon, ki je profesor na univerzi Stanford, »nato pa sem ugotovil, da sta številki v bistvu enaki – le [vrstni red] se je obrnil. ”
Svoje opažanje je delil s sodelavci prek Zooma. Ker niso vedeli, da bi morali obe amplitudi sipanja ustrezati, je skupina mislila, da gre morda za naključje. Začeli so izračunavati obe amplitudi s postopno višjimi stopnjami natančnosti (večja kot je bila natančnost, več členov so morali primerjati). Do konca klica, ko so izračunali na tisoče izrazov, ki so se vedno ujemali, so bili fiziki precej prepričani, da imajo opravka z novo dvojnostjo – skrito povezavo med dvema različnima pojavoma, ki je ni mogoče razložiti z našim trenutnim razumevanjem fizike.
Zdaj, antipodna dvojnost, kot ga imenujejo raziskovalci, je bilo potrjeno za visoko natančne izračune, ki vključujejo 93 milijonov členov. Medtem ko se ta dvojnost pojavlja v poenostavljeni teoriji gluonov in drugih delcev, ki ne opisuje povsem našega vesolja, obstajajo namigi, da bi podobna dvojnost lahko obstajala v resničnem svetu. Raziskovalci upajo, da bi jim preiskava nenavadne ugotovitve lahko pomagala vzpostaviti nove povezave med na videz nepovezanimi vidiki fizike delcev.
"To je veličastno odkritje, ker je popolnoma nepričakovano," je dejal Anastazija Volovič, fizik delcev na Univerzi Brown, "in še vedno ni razlage, zakaj bi moralo biti res."
DNK sipanja delcev
Dixon in njegova ekipa sta odkrila antipodalno dvojnost z uporabo posebne "kode" za učinkovitejše izračunavanje amplitud sipanja, kot bi lahko s tradicionalnimi metodami. Če želite na primer ugotoviti verjetnost, da se dva visokoenergijska gluona razpršita in ustvarita štiri nizkoenergijske gluone, morate upoštevati vse možne poti, ki bi lahko prinesle ta rezultat. Poznate začetek in konec zgodbe (dva gluona postanejo štirje), vendar morate poznati tudi sredino - vključno z vsemi delci, ki se lahko zaradi kvantne negotovosti začasno pojavijo in izginejo. Običajno morate sešteti verjetnost vsakega možnega vmesnega dogodka, tako da jih upoštevate enega za drugim.
Leta 2010 so te okorne izračune zaobšli štirje raziskovalci, vključno z Volovichem, ki je našel bližnjico. Spoznali so, da je veliko zapletenih izrazov v izračunu amplitude mogoče odpraviti z reorganizacijo vsega v novo strukturo. Šest osnovnih elementov nove strukture, imenovanih "črke", so spremenljivke, ki predstavljajo kombinacije energije in zagona vsakega delca. Šest črk sestavlja besede, besede pa se združijo v izraze v vsaki amplitudi razprševanja.
Dixon to novo shemo primerja z genetsko kodo, v kateri se štirje kemični gradniki združijo, da tvorijo gene v verigi DNK. Tako kot genetska koda ima tudi »DNK razpršenosti delcev«, kot jo imenuje, pravila o tem, katere kombinacije besed so dovoljene. Nekatera od teh pravil izhajajo iz znanih fizikalnih ali matematičnih načel, druga pa se zdijo poljubna. Edini način, da odkrijete nekatera pravila, je iskanje skritih vzorcev v dolgih izračunih.
Ko so bila najdena, so ta nedoumljiva pravila fizikom delcev pomagala izračunati amplitude sipanja z veliko večjo natančnostjo, kot bi jo lahko dosegli s tradicionalnim pristopom. Prestrukturiranje je tudi omogočilo Dixonu in njegovim sodelavcem, da opazijo skrito povezavo med dvema na videz nepovezanima amplitudama sipanja.
Zemljevid antipoda
V središču dvojnosti je "karta antipoda". V geometriji zemljevid antipoda vzame točko na krogli in obrne koordinate ter vas pošlje naravnost skozi središče krogle do točke na drugi strani. To je matematični ekvivalent kopanju luknje od Čila do Kitajske.
Pri amplitudah sipanja je zemljevid antipoda, ki ga je našel Dixon, nekoliko bolj abstrakten. Obrne vrstni red črk, ki se uporabljajo za izračun amplitude. Uporabite ta zemljevid antipoda za vse člene v amplitudi sipanja za dva gluona, ki postaneta štirje, in (po preprosti spremembi spremenljivk) to prinese amplitudo za dva gluona, ki postaneta en gluon plus Higgs.
V Dixonovi analogiji z DNK je dvojnost kot branje genetskega zaporedja nazaj in spoznanje, da kodira popolnoma nov protein, ki ni povezan s tistim, ki ga kodira prvotno zaporedje.
»Vsi smo bili včasih prepričani, da je zemljevid antipod neuporaben. … Zdelo se je, da ni imelo nobenega fizičnega pomena ali da bi naredilo kaj pomembnega,« je dejal Matt von Hippel, specialist za amplitudo na Inštitutu Nielsa Bohra v Köbenhavnu, ki ni bil vključen v raziskavo. "In zdaj ga uporablja ta popolnoma nerazložljiva dvojnost, kar je precej divje."
Ni čisto naš svet
Zdaj sta dve veliki vprašanji. Prvič, zakaj obstaja dvojnost? In drugič, ali bo podobna povezava obstajala tudi v resničnem svetu?
17 znanih osnovnih delcev, ki sestavljajo naš svet, upošteva niz enačb, imenovanih Standardni model fizike delcev. V skladu s standardnim modelom dva gluona, brezmasna delca, ki zlepita atomska jedra, zlahka medsebojno delujeta, da podvojita svoje število in tako postaneta štirje gluoni. Da bi proizvedli en gluon in en Higgsov delec, se morajo trkajoči gluoni najprej preoblikovati v kvark in antikvark; ti se nato spremenijo v gluon in Higgs preko drugačne sile kot tista, ki ureja medsebojne interakcije gluonov.
Ta dva procesa razprševanja sta tako različna, pri čemer eden vključuje popolnoma drugačen sektor standardnega modela, da bi bila dvojnost med njima zelo presenetljiva.
Toda antipodna dvojnost je tudi nepričakovana tudi v poenostavljenem modelu fizike delcev, ki so ga preučevali Dixon in njegovi kolegi. Njihov model igrače upravlja izmišljene gluone z dodatnimi simetrijami, ki omogočajo natančnejše izračune amplitud sipanja. Dvojnost povezuje proces sipanja, ki vključuje te gluone, in proces, ki zahteva zunanjo interakcijo z delci, ki jo opisuje drugačna teorija.
Dixon misli, da ima zelo tanek namig o tem, od kod izvira dvojnost.
Spomnite se tistih nerazložljivih pravil, ki so jih odkrili Volovich in njeni sodelavci, ki narekujejo, katere kombinacije besed so dovoljene v amplitudi sipanja. Zdi se, da nekatera pravila poljubno omejujejo, katere črke se lahko pojavijo ena poleg druge v amplitudi dva gluona na gluon plus Higgs. Toda ta pravila preslikamo na drugo stran dvojnosti in se spremenijo v niz dobro uveljavljena pravila ki zagotavljajo vzročnost - zagotavljajo, da se interakcije med prihajajočimi delci zgodijo, preden se pojavijo odhajajoči delci.
Za Dixona je to majhen namig na globljo fizično povezavo med obema amplitudama in razlog za domnevo, da bi nekaj podobnega lahko veljalo za standardni model. "Vendar je precej šibek," je rekel. "To so informacije iz druge roke."
Druge dvojnosti med različnimi fizičnimi pojavi so že bile ugotovljene. Korespondenca AdS-CFT je na primer, v kateri je teoretični svet brez gravitacije dualen svetu z gravitacijo, od odkritja leta 1997 spodbudila na tisoče raziskovalnih člankov. Toda tudi ta dvojnost obstaja le za gravitacijski svet z izkrivljeno geometrijo, ki ni podobna dejanskemu vesolju. Kljub temu za mnoge fizike dejstvo, da več dvojnosti skorajda drži v našem svetu, namiguje, da bi lahko praskale površje vseobsegajoče teoretične strukture, v kateri se kažejo te presenetljive povezave. "Mislim, da so vsi del zgodbe," je dejal Dixon.
