Новая и удивительная двойственность, обнаруженная в теоретической физике элементарных частиц
В теоретической физике элементарных частиц была обнаружена новая и удивительная двойственность. Двойственность существует между двумя типами процессов рассеяния, которые могут происходить при столкновениях протонов, происходящих в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в Швейцарии и Франции. Тот факт, что эта связь, как ни странно, может быть установлена, указывает на то, что в сложных деталях стандартной модели физики элементарных частиц есть что-то, что не до конца изучено. Стандартная модель — это модель мира на субатомном уровне, которая объясняет все частицы и их взаимодействия, поэтому, когда появляются сюрпризы, есть повод для внимания. Научная статья опубликована в Physical Review Letters.
С левой стороны у нас есть процесс рассеяния с участием двух глюонов (зеленый/желтый и синий/голубой), взаимодействующих с образованием глюона (красный/пурпурный) и частицы Хиггса (белый). Более сложный процесс рассеяния справа отражает более простой процесс слева, но здесь мы имеем процесс рассеяния двух глюонов (зеленый/желтый и синий/голубой), взаимодействующих с образованием четырех глюонов (красный/пурпурный, красный/желтый). , синий/пурпурный и зеленый/голубой). Черный цвет символизирует тот факт, что при самом столкновении может произойти множество различных элементарных взаимодействий, и мы должны суммировать все возможности. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга мы не можем знать, какая именно возможность возникла, поэтому это «черный ящик». Предоставлено: Сорен Дж. Гранат.
Двойственность в физике
Понятие двойственности встречается в разных областях физики. Наиболее известным дуализмом, вероятно, является корпускулярно-волновой дуализм в квантовой механике. Знаменитый эксперимент с двумя щелями показывает, что свет ведет себя как волна, а Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за то, что показал, что свет ведет себя как частица.
Странно то, что свет на самом деле является и тем, и другим одновременно. Есть просто два способа взглянуть на эту сущность, свет, и каждый из них имеет математическое описание . Оба с совершенно разной интуитивной идеей, но все же описывают одно и то же.
«То, что мы сейчас обнаружили, — это подобная двойственность», — объясняет Матиас Вильгельм, доцент Международной академии Нильса Бора. «Мы рассчитали прогноз для одного процесса рассеяния и для другого процесса рассеяния.
Наши текущие расчеты менее осязаемы с экспериментальной точки зрения, чем знаменитый эксперимент с двумя щелями, но между ними существует четкая математическая карта, которая показывает, что они оба содержат одну и ту же информацию. Они как-то связаны».
Теория и эксперименты идут рука об руку
Большой адронный коллайдер сталкивается с множеством протонов — среди этих протонов есть множество более мелких частиц, субатомных частиц, глюонов и кварков.
При столкновении два глюона от разных протонов могут взаимодействовать, и создаются новые частицы , такие как частица Хиггса, что приводит к замысловатым узорам в детекторах.
Исследователи составляют карту того, как выглядят эти паттерны, а теоретическая работа, проделанная в связи с экспериментами, направлена на точное описание того, что происходит, в математических терминах, чтобы создать общую формулировку, а также сделать прогнозы, которые можно сравнить с результатами экспериментов. эксперименты.
«Мы рассчитали процесс рассеяния двух глюонов, взаимодействующих с образованием четырех глюонов, а также процесс рассеяния двух глюонов, взаимодействующих с образованием глюона и частицы Хиггса, в слегка упрощенной версии стандартной модели .. К нашему удивлению, мы обнаружили, что результаты этих двух расчетов связаны. Классический случай двойственности. Каким-то образом ответ о том, насколько вероятно, что произойдет один процесс рассеяния, несет в себе ответ о том, насколько вероятно, что произойдет другой процесс рассеяния. Странность этой двойственности заключается в том, что мы не знаем, почему существует эта связь между двумя различными процессами рассеяния. Мы смешиваем два очень разных физических свойства двух предсказаний и видим связь, но до сих пор остается загадкой, в чем заключается связь», — говорит Матиас Вильгельм.
Принцип двойственности и его применение
Согласно нынешнему пониманию, эти две вещи не должны быть связаны, но с открытием этой удивительной двойственности единственный правильный способ отреагировать на нее — продолжить исследование.
Сюрпризы всегда означают, что есть что-то, что мы теперь знаем, чего не понимаем. После открытия частицы Хиггса в 2012 году никаких новых сенсационных частиц обнаружено не было. Способ, которым мы надеемся обнаружить новую физику сейчас, состоит в том, чтобы делать очень точные предсказания того, что, как мы ожидаем, произойдет, затем сравнивать их с очень точными измерениями того, что показывает нам природа, и смотреть, сможем ли мы найти там отклонения.
Нам нужна большая точность, как экспериментальная, так и теоретическая. Но с большей точностью расчеты становятся сложнее. «Итак, к чему это может привести, так это к работе, чтобы увидеть, можно ли использовать эту двойственность, чтобы извлечь из нее своего рода «пробег», потому что одно вычисление проще другого, но тем не менее оно дает ответ на более сложный вопрос. расчет», — объясняет Матиас Вильгельм.
«Поэтому, если мы можем согласиться на использование простых вычислений, мы можем использовать двойственность для ответа на вопрос, который в противном случае потребовал бы более сложных расчетов. Но тогда нам действительно нужно понять двойственность. Однако важно отметить, что мы не там еще нет. Но обычно вопросы, возникающие из-за неожиданного поведения вещей, намного интереснее, чем упорядоченный и ожидаемый результат».
