En ny och överraskande dualitet har upptäckts inom teoretisk partikelfysik. Dualiteten finns mellan två typer av spridningsprocesser som kan inträffa i protonkollisioner som görs i Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz och Frankrike. Det faktum att detta samband överraskande nog kan göras pekar på det faktum att det finns något i de intrikata detaljerna i standardmodellen för partikelfysik som inte är helt förstådd. Standardmodellen är världens modell i subatomär skala som förklarar alla partiklar och deras interaktioner, så när överraskningar dyker upp finns det anledning till uppmärksamhet. Den vetenskapliga artikeln publiceras nu i Physical Review Letters .

Dualitet i fysik

Begreppet dualitet förekommer inom olika områden av fysiken. Den mest välkända dualiteten är förmodligen partikelvågsdualiteten inom kvantmekaniken. Det berömda dubbelslitsexperimentet visar att ljus beter sig som en våg, medan Albert Einstein fick sitt Nobelpris för att ha visat att ljus beter sig som en partikel.

Det konstiga är att ljus faktiskt är båda och ingen av de två samtidigt. Det finns helt enkelt två sätt vi kan se på denna entitet, ljus, och vart och ett kommer med en matematisk beskrivning. Båda med en helt annan intuitiv idé, men beskriver ändå samma sak.

"Vad vi nu har hittat är en liknande dualitet", förklarar Matthias Wilhelm, biträdande professor vid Niels Bohr International Academy. "Vi beräknade förutsägelsen för en spridningsprocess och för en annan spridningsprocess.

Våra nuvarande beräkningar är mindre experimentellt påtagliga än det berömda dubbelslitsexperimentet, men det finns en tydlig matematisk karta mellan de två, och den visar att de båda innehåller samma information. De är länkade på något sätt."

Teori och experiment går hand i hand

Large Hadron Collider kolliderar med många protoner – i dessa protoner finns det många mindre partiklar, de subatomära partiklarna gluoner och kvarkar.

Vid kollisionen kan två gluoner från olika protoner interagera och nya partiklar skapas, såsom Higgspartikeln, vilket resulterar i invecklade mönster i detektorerna.

Forskare kartlägger hur dessa mönster ser ut, och det teoretiska arbetet som görs i relation till experimenten syftar till att beskriva exakt vad som händer i matematiska termer, för att skapa en övergripande formulering, samt att göra förutsägelser som kan jämföras med resultaten av experimenten.

"Vi beräknade spridningsprocessen för två gluoner som interagerar för att producera fyra gluoner, liksom spridningsprocessen för två gluoner som interagerar för att producera en gluon och en Higgspartikel, båda i en något förenklad version av standardmodellen. Till vår förvåning har vi fann att resultaten av dessa två beräkningar är relaterade. Ett klassiskt fall av dualitet. På något sätt innehåller svaret för hur sannolikt det är att en spridningsprocess inträffar svaret för hur troligt det är att den andra spridningsprocessen inträffar. Det konstiga med denna dualitet är att vi inte vet varför denna relation mellan de två olika spridningsprocesserna existerar.Vi blandar två väldigt olika fysikaliska egenskaper hos de två förutsägelserna, och vi ser sambandet, men det är fortfarande lite av ett mysterium vari sambandet ligger, säger Matthias Wilhelm.

Dualitetsprincipen och dess tillämpning

Enligt nuvarande uppfattning bör de två inte vara sammankopplade – men med upptäckten av denna överraskande dualitet är det enda rätta sättet att reagera på den att undersöka ytterligare.

Överraskningar betyder alltid att det finns något vi nu vet som vi inte förstår. Efter upptäckten av Higgspartikeln 2012 har inga nya, sensationella partiklar upptäckts. Sättet vi hoppas kunna upptäcka ny fysik nu är genom att göra mycket exakta förutsägelser om vad vi förväntar oss att hända, sedan jämföra dem med mycket exakta mätningar på vad naturen visar oss, och se om vi kan hitta avvikelser där.

Vi behöver mycket noggrannhet, både experimentellt och teoretiskt. Men med mer precision kommer svårare beräkningar. "Så vart det här skulle kunna leda arbetar för att se om denna dualitet kan användas för att få ut ett slags "körsträcka" ur det, eftersom den ena beräkningen är enklare än den andra - men ändå ger den svaret på det mer komplicerade beräkning", förklarar Matthias Wilhelm.

"Så om vi kan nöja oss med att använda den enkla beräkningen kan vi använda dualiteten för att svara på frågan som annars skulle kräva mer komplicerade beräkningar — Men då måste vi verkligen förstå dualiteten. Det är dock viktigt att notera att vi inte är det. där ännu. Men vanligtvis är frågorna som uppstår från oväntade sakers beteende mycket mer intressanta än ett ordnat och förväntat resultat." + Utforska vidare

För första gången beräknar forskare noggrant trepartikelspridning utifrån teori