发现一种新的对偶性

近日，理论粒子物理学界发现了一种出乎意料的新的对偶性。这种对偶性存在于两种可能在质子对撞中出现的散射过程之间。

令人惊讶的是，两种散射过程之间的联系告诉我们，虽然粒子物理学的标准模型解释了粒子及其相互作用的微观世界，但在它错综复杂的细节中，还有一些东西并没有被完全理解和掌握。

每当惊喜出现​，自然会引起人们的注意。研究论文已于近日发表在《物理评论快报》上。

物理中的对偶性

对偶性的概念在物理学中并不少，它出现在不同的物理领域。最著名的对偶性可能要数量子力学中的波粒二象性（particle-wave duality）。

著名的双缝实验表明，光可以像波一样行事，但它的行为也可以如粒子一般。当光以波的方式行事时，那些“涟漪”发生干涉，在波峰的地方出现相长干涉，创造出明亮的边缘，而在波谷处则相消干涉，留下暗色条纹，从而在屏上留下明暗相间的图样（如下图B）。

双缝实验。（图／Søren J. Granat, NBI）

但如果我们调低光束的强度，每次只发射一个光子，那么这种干涉图样便会消失，取而代之的是屏上出现两条粗大的光条（如上图C）。

这已经非常奇怪了，但更颠覆的是，我们应该如何理解它。实际上，光既是波和粒子，同时又并非这两者。准确地说，我们可以用波和粒子这两种方式看待光这个实体，而且每种方式都对应一种数学描述。两者各有一套截然不同的直观想法，但它们仍然描述了同一件事。

这就是对偶性的一个经典案例，也就是说，它是表面上看似不同、但导致了相同结果的理论之间的一种对应和联系。

理论与实验齐头并进

在这项新研究中，团队发现的是一个类似的对偶性。

在LHC上，科学家已经用大量质子进行了对撞实验。质子中包含着更基本的粒子，也就是夸克和负责传递强力的胶子，正是胶子将夸克“粘”在了一起，束缚在质子内部。

质子中包含了夸克和负责传递强力的胶子（图中曲线），强力将夸克束缚在质子内部。（图／原理）

在对撞的巨大冲击下，来自不同质子的两个胶子可以相互作用，产生新的粒子，比如希格斯玻色子，从而在探测器中形成错综复杂的模式。

研究团队绘制出了这些模式，而与实验有关的理论工作则用来以数学术语精确地描述所发生的事情，从而建立起一种全面的表述，做出可以与实验结果相比较的预测。

团队对两个散射过程分别进行了预测计算，其中一个是两个胶子相互作用产生四个胶子的散射过程，另一个则是两个胶子相互作用产生一个胶子和一个希格斯玻色子的散射过程。

漫画左边代表了一个涉及两个胶子（绿黄相间和蓝青相间的小球）相互作用的散射过程，它产生了一个胶子（红紫相间）和一个希格斯玻色子（白色）。右边镜中更复杂的散射过程被映射出来，它代表了两个胶子（绿黄相间和蓝青相间的小球）相互作用产生了四个胶子（红紫相间、红黄相间、蓝紫相间和绿青相间）的散射过程。黑色象征着，在对撞中，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，我们无法知道到底发生了什么，因此这是一个 “黑箱”。（图／Søren J. Granat, NBI）

令人惊讶的是，虽然目前的计算在实验上还不如著名的双缝实验切实可感，但两者之间已经出现了一个清晰的数学图谱，表明它们都包含着相同的信息。科学家发现，在某种程度上来说，这两个计算的结果是相关的。也就是说，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。这就是一种典型的对偶性。

这种对偶性的奇妙之处在于，科学家还并不清楚，为什么两个不同的散射过程之间会存在这种关联。他们综合了两种非常不同的物理性质的预测，然后看到了这种关系，但它背后仍然迷雾重重。

对偶性的原理及应用

对科学研究来说，惊喜总是代表着，有一些我们现在知道却还不了解的东西，而唯一的路就是继续进一步的研究。

自从2012年发现希格斯玻色子之后，物理学界还没有发现任何轰动性的新粒子。现在，许多物理学家采取的方式是，对预期发生的事情进行非常精确的预测，然后将这种预测结果，与非常精确的测量进行比较，看看是否能在那里找到偏差，希望在这种“裂缝”中找到一条通向新物理的路。

这也意味着，无论是实验还是理论上，我们都需要大量的精确性。随着精确性的提升，计算自然也变得更难了。因此，这种新发现的对偶性也许可以成为计算上的某种“捷径”。但这样做的前提是，物理学家需要真正理解它。这也是研究人员接下来的目标。

#创作团队：

编译：Måka

排版：雯雯

#参考来源：

https://nbi.ku.dk/english/news/news22/new-and-surprising-duality-found-in-theoretical--particle-physics/

#图片来源：

封面图：Linda Rain 714, Flickr, CC BY

首图：Michael Tefft, Flickr, CC BY-NC-ND