Ny og overraskende dualitet fundet i teoretisk partikelfysik

En ny og overraskende dualitet er blevet opdaget i teoretisk partikelfysik. Dualiteten eksisterer mellem to typer spredningsprocesser, der kan forekomme i protonkollisioner foretaget i Large Hadron Collider ved CERN i Schweiz og Frankrig. Den kendsgerning, at denne sammenhæng overraskende kan laves, peger på, at der er noget i de indviklede detaljer i standardmodellen for partikelfysik, som ikke er fuldt ud forstået. Standardmodellen er verdensmodel på subatomisk skala, der forklarer alle partikler og deres interaktioner, så når overraskelser dukker op, er der grund til opmærksomhed. Den videnskabelige artikel er nu publiceret i Physical Review Letters .

Dualitet i fysik

Begrebet dualitet forekommer i forskellige områder af fysikken. Den mest kendte dualitet er sandsynligvis partikel-bølge-dualiteten i kvantemekanikken. Det berømte dobbeltspalte-eksperiment viser, at lys opfører sig som en bølge, mens Albert Einstein modtog sin Nobelpris for at vise, at lys opfører sig som en partikel.

Det mærkelige er, at lys faktisk er begge dele og ingen af ​​de to på samme tid. Der er simpelthen to måder, vi kan se på denne entitet, lys, og hver kommer med en matematisk beskrivelse. Begge med en helt anden intuitiv idé, men beskriver stadig det samme.

"Det, vi nu har fundet, er en lignende dobbelthed," forklarer Matthias Wilhelm, adjunkt ved Niels Bohr International Academy. "Vi beregnede forudsigelsen for én spredningsproces og for en anden spredningsproces.

Vores nuværende beregninger er mindre eksperimentelt håndgribelige end det berømte dobbeltspalte-eksperiment, men der er et klart matematisk kort mellem de to, og det viser, at de begge indeholder den samme information. De er forbundet på en eller anden måde."

Teori og eksperimenter går hånd i hånd

Large Hadron Collider kolliderer med mange protoner – i disse protoner er der en masse mindre partikler, de subatomare partikler gluoner og kvarker.

I kollisionen kan to gluoner fra forskellige protoner interagere, og nye partikler skabes, såsom Higgs-partiklen, hvilket resulterer i indviklede mønstre i detektorerne.

Forskere kortlægger, hvordan disse mønstre ser ud, og det teoretiske arbejde i forhold til eksperimenterne har til formål at beskrive præcist, hvad der foregår i matematiske termer, for at skabe en overordnet formulering, samt at lave forudsigelser, der kan sammenlignes med resultaterne af eksperimenterne.

"Vi beregnede spredningsprocessen for to gluoner, der interagerer for at producere fire gluoner, såvel som spredningsprocessen for to gluoner, der interagerer for at producere en gluon og en Higgs-partikel, begge i en lidt forenklet version af standardmodellen. Til vores overraskelse har vi fandt ud af, at resultaterne af disse to beregninger hænger sammen. Et klassisk tilfælde af dualitet. På en eller anden måde indeholder svaret for, hvor sandsynligt det er, at en spredningsproces sker, svaret for, hvor sandsynligt det er, at den anden spredningsproces finder sted. Det mærkelige ved denne dualitet er, at vi ikke ved, hvorfor denne relation mellem de to forskellige spredningsprocesser eksisterer. Vi blander to meget forskellige fysiske egenskaber af de to forudsigelser, og vi ser sammenhængen, men det er stadig lidt af et mysterium, hvori forbindelsen ligger," siger Matthias Wilhelm.

Dualitetsprincippet og dets anvendelse

Ifølge den nuværende forståelse burde de to ikke være forbundet – men med opdagelsen af ​​denne overraskende dobbelthed er den eneste rigtige måde at reagere på det at undersøge nærmere.

Overraskelser betyder altid, at der er noget, vi nu ved, som vi ikke forstår. Efter opdagelsen af ​​Higgs-partiklen i 2012 er der ikke fundet nye, opsigtsvækkende partikler. Den måde, vi håber at opdage ny fysik på nu, er ved at lave meget præcise forudsigelser om, hvad vi forventer at ske, og derefter sammenligne dem med meget præcise målinger af, hvad naturen viser os, og se om vi kan finde afvigelser der.

Vi har brug for meget nøjagtighed, både eksperimentelt og teoretisk. Men med mere præcision kommer sværere beregninger. "Så hvor dette kunne føre, arbejder for at se, om denne dualitet kan bruges til at få en slags "kilometer" ud af det, fordi den ene beregning er enklere end den anden - men alligevel giver den svaret på det mere komplicerede udregning," forklarer Matthias Wilhelm.

"Så hvis vi kan nøjes med at bruge den simple beregning, kan vi bruge dualiteten til at besvare det spørgsmål, der ellers ville kræve mere komplicerede beregninger - Men så skal vi virkelig forstå dualiteten. Det er dog vigtigt at bemærke, at vi ikke er der endnu. Men normalt er de spørgsmål, der opstår ved uventet opførsel af ting, meget mere interessante end et velordnet og forventet resultat." + Udforsk yderligere

For første gang beregner forskere strengt tre-partikelspredning ud fra teori