理论粒子物理学中发现新的、令人惊讶的二元性

2022年05月01日 08:11 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在理论粒子物理学中发现了一个新的和令人惊讶的二元性。该二元性存在于两种类型的散射过程之间,它们可能发生在瑞士和法国欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)中的质子对撞。令人惊讶的是,能够建立这种联系的事实表明,在粒子物理学标准模型的精细错综复杂的过程中,有一些现象并没有被完全理解。

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标准模型是描述所有粒子及其相互作用的亚原子尺度的世界图景,因此当意外发生时,就会引起人们的注意。这篇科学文章现在已经发表在《物理评论快报》杂志上。

物理学中的二元性

二元性的概念出现在物理学的不同领域。最著名的二元性可以说是量子力学中的粒子-波二元性。经典的双缝实验证明了光是如何作为一种波的,但阿尔伯特-爱因斯坦因证明了光是如何作为一种粒子的而获得诺贝尔奖。

奇怪的是,光实际上同时是两者,又不是两者。我们可以用简单的两种方式来看待光这个实体,而且每一种都有一个数学描述。两者都有一个完全不同的直观想法,但仍然描述了同一件事。

"我们现在发现的是一个类似的二元性,"尼尔斯-玻尔国际学院的助理教授马蒂亚斯-威廉解释说。"我们对一个散射过程和另一个散射过程的预测进行了计算。

我们目前的计算结果在实验上不如著名的双缝实验那么具体,但两者之间有一个清晰的数学图谱,它表明它们都包含相同的信息。它们在某种程度上是有联系的"。

理论与实验齐头并进

在大型强子对撞机上,科研人员碰撞了很多质子--在这些质子中,有很多更小的粒子,即亚原子粒子胶子和夸克。在碰撞中,来自不同质子的两个胶子可以相互作用,产生新的粒子,如希格斯粒子,从而在探测器中形成复杂的图案。

图为粒子物理二元性复杂的散射过程,在左边有一个涉及两个胶子(绿色/黄色和蓝色/青色)相互作用的散射过程,产生一个胶子(红色/红色)和一个希格斯粒子(白色)。右边更复杂的散射过程被左边更简单的散射过程所反映,但这里我们有一个两个胶子(绿色/黄色和蓝色/青色)相互作用产生四个胶子(红色/桃红、红色/黄色、蓝色/桃红和绿色/青色)的散射过程。黑色象征着这样一个事实:在碰撞本身中,可能会发生许多不同的基本相互作用,我们必须对所有的可能性进行汇总。根据海森堡不确定性原理,我们无法知道究竟发生了什么可能性--所以这是一个"黑盒子"。

研究人员绘制了这些模式的外观,与实验有关的理论工作旨在用数学术语精确描述所发生的事情,以创建一个整体的表述,以及做出可以与实验结果相比较的预测。他们计算了两个胶子相互作用产生四个胶子的散射过程,以及两个胶子相互作用产生一个胶子和一个希格斯粒子的散射过程,两者都是在一个略微简化的标准模型中。

令我们惊讶的是,我们发现这两个计算的结果是相关的。一个经典的二元性案例。不知何故,一个散射过程发生的可能性有多大,其答案中就包含了另一个散射过程发生的可能性有多大。

这种二重性的奇怪之处在于,我们不知道为什么两个不同的散射过程之间存在这种关系。Matthias Wilhelm说:"我们正在混合两种非常不同的物理特性的预测,我们看到了这种关系,但它仍然是一个有点神秘的联系所在。

二元性原理及其应用

根据目前的理解,这两者不应该有联系--但随着这种令人惊讶的二元性的发现,对其作出反应的唯一正确方式是进一步调查。在2012年发现希格斯粒子之后,至今没有发现新的、让学界轰动的粒子。现在研究人员希望检测新物理学的方式是通过对期望发生的事情做出非常精确的预测,然后将其与自然界向我们展示的非常精确的测量进行比较,看看是否能在那里找到偏差。这个想法过去和现在都是为了推动我们对所处世界的认识。

在实验和理论上,我们都需要大量的精确度。但是,随着精度的提高,计算难度也随之增加。"因此,这可能导致的工作是为了看看这种二元性是否可以用来获得一种'里程',因为一个计算比另一个简单--但它仍然给出了更复杂的计算的答案,"马蒂亚斯-威尔海姆解释说。

"因此,如果我们可以满足于使用简单的计算,我们可能会使用二元性来回答这个问题,否则需要更复杂的计算 - 但是,我们真的需要了解二元性。

但重要的是要注意,我们还没有到那一步。但通常情况下,事物的意外行为所产生的问题要比有序的、预期的结果有趣得多"。

研究论文作者马蒂亚斯-威廉在柏林洪堡大学获得博士学位,然后于2015年加入尼尔斯-玻尔研究所。自2019年以来,他一直在领导一个维鲁姆青年研究员初级研究小组,旨在解开在最小尺度上支配我们宇宙的数学结构。

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