Процесите на разсейване, които могат да възникнат при протонните сблъсъци в Големия адронен колайдер, показват нова и изненадваща двойственост в теоретичната физика на елементарните частици.

В теоретичната физика на елементарните частици е открита нова и изненадваща двойственост. Съществува двойственост между два вида процеси на разсейване, които могат да възникнат при протонните сблъсъци в Големия адронен колайдер (LHC). Изненадващо, фактът, че тази връзка може да се направи, показва, че има нещо във фините тънкости на Стандартния модел на физиката на елементарните частици, което не е напълно разбрано. Стандартният модел е картина на света в субатомен мащаб, която описва всички частици и техните взаимодействия, така че когато възникнат изненади, има причина за внимание. 

Двойственост във физиката

Идеята за двойствеността се среща в различни области на физиката. Най-известната двойственост вероятно е двойствеността частица-вълна в квантовата механика. Класическият експеримент с двойния процеп демонстрира как светлината действа като вълна, а Алберт Айнщайн получава Нобеловата си награда за демонстрацията как светлината се държи като частица.

Странното е, че светлината всъщност е и двете и нито едно от двете едновременно. Има просто два начина, по които можем да я разгледаме и всеки е с различно математическо описание. И двата са с напълно различна интуитивна идея, но все пак описват едно и също нещо.

„Това, което открихме сега, е подобна двойственост“, обяснява Матиас Вилхелм (Matthias Wilhelm), асистент в Международната академия "Нилс Бор". „Изчислихме прогнозата за един процес на разсейване и за друг процес на разсейване. Настоящите ни изчисления са по-малко експериментално осезаеми от известния експеримент с двойния процеп, но има ясна математическа карта между двата и тя показва, че и двата съдържат една и съща информация и са свързани по някакъв начин."

Теорията и експериментите вървят ръка за ръка

В Големия адронен колайдер се сблъскват много протони, а в тези протони има много по-малки частици, субатомните частици глуони и кварки.

При сблъсъка два глуона от различни протони могат да взаимодействат и се създават нови частици, като бозонът на Хигс, което води до сложни модели в детекторите.

Според принципа на неопределеността на Хайзенберг не можем да знаем каква точно възможност е възникнала – така че това е „черна кутия“. Кредит: Søren J. Granat

От лявата страна имаме процес на разсейване, включващ два глуона (зелено/жълто и синьо/циан), които взаимодействат, за да произведат глуон (червен/пурпурен) и частица на Хигс (бяла). По-сложният процес на разсейване вдясно се отразява в по-простия отляво, но тук имаме процес на разсейване от два глуона (зелено/жълто и синьо/циан), които взаимодействат, за да произведат четири глуона (червен/пурпурен, червен/жълт, синьо/пурпурно и зелено/циан). Черният цвят символизира факта, че при самия сблъсък могат да възникнат много различни елементарни взаимодействия и трябва да сумираме всички възможности.

"Ние картографираме как изглеждат тези модели и теоретичната работа, извършена във връзка с експериментите, има за цел да опише точно какво се случва в математически термини, за да създаде цялостената формулировка, както и да направи прогнози, които могат да бъдат сравнени с резултатите от експериментите".

Относно ЦЕРН

CERN е акроним на Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire и целта на организацията е да се извлече полза от споделянето на разходите, които този тип изследвания налагат – нещо, което би било твърде скъпо за всяка отделна страна.

В момента има 23 държави-членки. Но също толкова важно е международната откритост и мирното споделяне на научния прогрес на нашите познания за света около нас.

„Изчислихме процеса на разсейване за два взаимодействащи глуона, произвеждащи  четири глуона, както и процес на разсейване за два взаимодействащи глуона, произвеждащи глуон и частица на Хигс, и двата в леко опростена версия на Стандартния модел."

"За наша изненада открихме, че резултатите от тези две изчисления са свързани. Класически случай на двойственост. По някакъв начин отговорът за това колко е вероятно да се случи един процес на разсейване носи в себе си отговора за това колко е вероятно да се случи другият процес на разсейване."

"Странното в тази двойственост е, че не знаем защо съществува тази връзка между двата различни процеса на разсейване. Ние смесваме две много различни физически свойства на двете прогнози и виждаме връзката, но все още е загадка къде се крие връзката“, разказва Матиас Вилхелм.

Принципът на двойствеността и неговото приложение

Според сегашното разбиране, двата не трябва да са свързани – но с откриването на тази изненадваща двойственост единственият правилен начин да се реагира на нея е да се проучи допълнително.

Изненадите винаги означават, че има нещо, което знаем, но което сега не разбираме. След откриването на частицата на Хигс през 2012 г. не бяха открити нови, сензационни частици. Начинът, по който се надяваме да открием нова физика сега, е като правим много точни прогнози за това, което очакваме да се случи, след което ги сравняваме с много точни измервания на това, което природата ни показва, и виждаме дали можем там да открием отклонения.

Нилс Бор и ЦЕРН

Нилс Бор е сред изследователите-визионери, които към края на 40-те години на миналия век инициират създаването на международна изследователска институция, която ще позволи на изследователите да си сътрудничат за разкриването на „от какво е направена Вселената и как работи“, каквато е мисията на ЦЕРН.

Идеята бе и продължава да бъде да прокараме границите на нашето познание за света, в който живеем.

Имаме нужда от много точност, както експериментално, така и теоретично. Но с по-голямата точност идват и по-трудни изчисления.

„И така, докъде може да доведе това -  да се види дали тази двойственост може да се използва, за да се извлече нещо като „изгода“ от това, че едно изчисление е по-просто от друго – но все пак дава отговор на по-сложните изчисление“, обяснява Матиас Вилхелм.

„Така че, ако можем да се задоволим с използването на простото изчисление, можем да използваме двойствеността, за да отговорим на въпроса, който иначе би изисквал по-сложни изчисления – но тогава наистина трябва да разберем двойствеността."

Важно е да се отбележи обаче, че все още не сме стигнали до там. Но обикновено въпросите, които възникват от неочаквано поведение на нещата, са много по-интересни от подреден и очакван резултат.

Справка: “Folding Amplitudes into Form Factors: An Antipodal Duality” by Lance J. Dixon, Ömer Gürdogan, Andrew J. McLeod and Matthias Wilhelm, 15 March 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.111602

Източник: New and Surprising Duality Discovered in Theoretical Particle Physics
Niels Bohr Institute