25. april 2022

Ny og overraskende dualitet fundet i teoretisk partikelfysik

Teoretisk Partikelfysik:

En ny og overraskende dualitet er blevet opdaget i teoretisk partikelfysik. Dualiteten eksisterer mellem to typer spredningsprocesser, som kan finde sted i de proton-kollisioner, forskerne laver ved the Large Hadron Collider (LHC) på CERN på grænsen mellem Schweiz og Frankrig. Det faktum, at denne forbindelse kan etableres, peger på, at der må være noget i de indviklede detaljer af standardmodellen for fysik, som endnu ikke er forstået til fulde. Standardmodellen er fysikkens model af verden på sub-atomar skala (mindre partikler end atomer), som forklarer alle partikler og deres interaktioner, så når der opstår overraskelser, er der god grund til at være opmærksom. Det videnskabelige resultat er nu publiceret i Physical Review Letters.

Dualitet i fysik – hvad er det?

Begrebet dualitet anvendes i forskellige områder af fysikken. Den mest velkendte dualitet er nok partikel-bølge dualiteten i kvantemekanikken. Det berømte dobbelt-spalte eksperiment viser, at lys kan opføre sig som bølger  - og samtidig modtog Albert Einstein sin Nobelpris for at vise, at lys opfører sig som partikeler.

Mathias Wilhelm

Matthias Wilhelm tog sin Ph.d. fra Humboldt Universitet i Berlin, før han kom til Niels Bohr Institutet i 2015. Siden 2019 har han stået i spidsen for en Villum Young Investigator Junior forskningsgruppe, hvis mål er at afdække de matematiske strukturer, som styrer vores univers på de mindste skalaer.

Det mærkelige er, at lys faktisk er begge og ingen af delene på samme tid. Der er simpelt hen to forskellige måder, vi kan se på lys, og begge måder kommer med en matematisk beskrivelse. Begge giver en fuldstændig forskellig, intuitiv idé, men beskriver alligevel det samme ting.

”Det vi nu har fundet, er en lignende dualitet”, forklarer Matthias Wilhelm, adjunkt ved Niels Bohr International Academy (NBIA). ”Vi beregnede forudsigelserne for to spredningsprocesser.

Vores beregninger er ikke helt så håndgribelige som for det berømte dobbeltspalte eksperiment, men der er en klar, matematisk afbildning mellem de to, og det viser os, at de begge indeholder den samme information. De er kædet sammen, på en eller anden måde”

Teori og eksperimenter går hånd i hånd

I The Large Hadron Collider laver forskerne kollisioner af mange protoner – og i disse protoner er der en lang række mindre partikler, kaldet gluoner og quarker.

Når kollisionerne sker, kan to gluoner fra forskellige protoner interagere og nye partikler kan dannes, som fx Higgs-partiklen, og sammenstødene aflæses i indviklede mønstre i forsøgenes detektorer.

Vi kortlægger, hvordan disse mønstre ser ud, og det teoretiske arbejde, som laves i forbindelse med eksperimenterne, har til formål at beskrive nøjagtig hvad der foregår i matematiske termer. Ideen er at nå frem til generelle formuleringer og samtidig skabe forudsigelser, som kan sammenlignes med resultaterne i eksperimenterne.

”Vi beregnede spredningsprocessen for to gluoner, som interagerer for at skabe fire gluoner, samt spredningsprocessen for to gluoner, der interagerer for at skabe en gluon og en Higgs partikel. Begge dele i en let forenklet udgave af standardmodellen. Til vores overraskelse fandt vi, at resultaterne af de to beregninger er forbundne – faktisk udgør de et klassisk dualitets-par.

På en eller anden vis bærer svaret på sandsynligheden for én spredningsproces svaret med sig på sandsynligheden for den anden spredningsproces. Det mærkelige ved denne dualitet er dog, at vi ikke ved, hvorfor denne relation mellem de to spredningsprocesser eksisterer. Vi forbinder to meget forskellige fysiske egenskaber ved de to forudsigelser og vi ser relationen, men det er stadig lidt af et mysterium, hvori sammenhængen faktisk består”, siger Matthias Wilhelm.

Dualitetsprincippet
I venstre side af tegningen har vi en spredningsproces med to gluoner (grøn/gul og blå/cyan) som interagerer og producerer en gluon (rød/magenta) og en Higgs partikel (hvid). Den mere komplekse spredningsproces til højre spejles i den enklere til venstre, men her har vi en spredningsproces med to gluoner (grøn/gul og blå/cyan) som interagerer og producerer fire gluoner (rød/magenta, rød/gul, blå/magenta og grøn/cyan). Den sorte farver symboliserer, at i kollisionen selv kan der ske mange forskellige partikel-interaktioner, og vi er nødt til at opsummere alle muligheder. Iflg. Heisenbergs usikkerheds-princip, kan vi ikke vide, hvad der helt nøjagtigt har fundet sted – kollisionen er en ”black box”, med andre ord.

Dualitetsprincippet og anvendelsesmulighederne for det

Ifølge den herskende forståelse skulle de to slet ikke være forbundet – men med opdagelsen af denne overraskende dualitet, er den eneste rigtige måde at forholde sig, at undersøge tingene nærmere.

”Overraskelser betyder altid, at det er noget, vi nu ved, at vi ikke forstår! Efter opdagelsen af Higgs-partiklen i 2012, er der ikke gjort nye, sensationelle opdagelser af nye partikler. Måden vi håber at kunne detektere nye typer fysik nu, er derfor at lave meget præcise forudsigelser af, hvad naturen viser os, og se, om vi kan finde afvigelser dér.

Vi har brug for meget høj præcision, både eksperimentelt og teoretisk. Men med højere præcision følger også vanskeligere beregninger. Derfor kunne denne nye opdagelse lede os på vej mod at forsøge at få beregningerne til at ”gå længere på literen”, fordi den ene beregning er enklere end den anden – men den giver stadig svaret på den mere komplicerede beregning”, forklarer Matthias Wilhelm.

”Hvis vi dermed kan nøjes med at bruge den enkle beregning, kan vi måske anvende dualiteten til at besvare spørgsmål, som ellers ville kræve meget mere komplicerede beregninger – men så skal vi være helt sikre på, at vi forstår dualiteten!

Det er vigtigt at sige, at vi ikke er helt i mål endnu. Men almindeligvis er de spørgsmål, der opstår, når tingene opfører sig uventet, altid meget mere interessante end et velordnet og forventet resultat”.

Link til den videnskabelige artikel: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.111602

Kontakt

Matthias Wilhelm, Adjunkt
Niels Bohr Internationale Akademi
Teoretisk partikelfysik og kosmologi
Email: matthias.wilhelm@nbi.ku.dk 
Telefon: +45 93 87 38 06

Se også: