粒子物理学家对新的二元性感到困惑

去年，粒子物理学家兰斯·迪克森（ Lance Dixon ）在准备一场讲座时注意到他计划在幻灯片中包含的两个公式之间的惊人相似之处。

这些公式称为散射幅度，给出了粒子碰撞可能结果的概率。其中一个散射幅度代表两个胶子粒子碰撞并产生四个胶子的概率；另一个给出了两个胶子碰撞产生一个胶子和一个希格斯粒子的概率。

“我有点困惑，因为它们看起来有点相似，”斯坦福大学教授迪克森说，“然后我意识到这些数字基本相同——只是[顺序]被颠倒了。 ”

他与他的合作者分享了他对 Zoom 的观察。由于不知道两个散射幅度应该对应的原因，该小组认为这可能是一个巧合。他们开始以越来越高的精度计算这两个幅度（精度越高，他们必须比较的项越多）。通话结束时，在计算了数千个保持一致的术语后，物理学家非常确定他们正在处理一种新的二元性——两种不同现象之间的隐藏联系，这无法用我们目前对物理学的理解来解释。

现在，正如研究人员所说的，对映对偶性已经在涉及 9300 万项的高精度计算中得到证实。虽然这种二元性出现在胶子和其他粒子的简化理论中，并不能完全描述我们的宇宙，但有迹象表明，类似的二元性可能存在于现实世界中。研究人员希望调查这一奇怪的发现可以帮助他们在粒子物理学看似无关的方面之间建立新的联系。

“这是一个了不起的发现，因为它完全出乎意料，”布朗大学的粒子物理学家阿纳斯塔西娅·沃洛维奇说，“而且仍然没有解释为什么它应该是真的。”

粒子散射的 DNA

Dixon 和他的团队通过使用一种特殊的“代码”来比传统方法更有效地计算散射幅度，从而发现了对偶对偶性。例如，通常要计算两个高能胶子散射产生四个低能胶子的概率，您必须考虑所有可能产生这种结果的途径。你知道故事的开始和结束（两个胶子变成四个），但你还需要知道中间——包括所有由于量子不确定性而暂时出现和消失的粒子。传统上，您必须将每个可能的中间事件的概率相加，一次取一个。

2010 年，这些繁琐的计算被包括 Volovich 在内的四名研究人员绕过，他们找到了捷径。他们意识到振幅计算中的许多复杂表达式可以通过将所有内容重新组织成一个新结构来消除。新结构的六个基本元素，称为“字母”，是代表每个粒子的能量和动量组合的变量。六个字母组成单词，单词组合形成每个散射幅度中的术语。

Dixon 将这种新方案比作遗传密码，其中四个化学构件结合在一起形成 DNA 链中的基因。就像遗传密码一样，他称之为“粒子散射的 DNA”，也有关于允许哪些单词组合的规则。其中一些规则遵循已知的物理或数学原理，但其他规则似乎是任意的。发现某些规则的唯一方法是在冗长的计算中寻找隐藏的模式。

一旦发现，这些高深莫测的规则就帮助粒子物理学家以比传统方法更高的精度计算散射幅度。重组还使 Dixon 和他的合作者能够发现两个看似无关的散射幅度之间的隐藏联系。

对极地图

二元性的核心是“对映地图”。在几何学中，对映贴图取球体上的一个点并反转坐标，将您直接穿过球体的中心到达另一侧的点。这相当于从智利挖一个洞到中国。

在散射幅度上，Dixon 发现的对映图更抽象一些。它反转用于计算幅度的字母的顺序。将此对映图应用于两个胶子变为四个的散射幅度中的所有项，并且（在变量的简单更改之后）这产生两个胶子变为一个胶子加上一个希格斯的幅度。

在 Dixon 的 DNA 类比中，二元性就像向后读取基因序列并意识到它编码的全新蛋白质与原始序列编码的蛋白质无关。

“我们都曾经相信对极地图毫无用处。 ……它似乎没有任何物理意义，或做任何有意义的事情，”哥本哈根尼尔斯玻尔研究所的振幅专家马特冯希佩尔说，他没有参与这项研究。 “现在有这种完全莫名其妙的二元性使用它，这非常疯狂。”

不完全是我们的世界

现在有两个大问题。首先，为什么会存在二元性？其次，在现实世界中会发现类似的联系吗？

组成我们世界的 17 个已知基本粒子遵守一组称为粒子物理学标准模型的方程。根据标准模型，两个胶子，即将原子核粘合在一起的无质量粒子，很容易相互相互作用，使其数量翻倍，成为四个胶子。然而，要产生一个胶子和一个希格斯粒子，碰撞胶子必须首先变形为夸克和反夸克；然后它们通过与控制胶子相互作用的力不同的力转变为胶子和希格斯粒子。

这两个散射过程是如此不同，其中一个涉及标准模型的完全不同的部分，以至于它们之间的二元性将是非常令人惊讶的。

但是，即使在 Dixon 和他的同事们正在研究的粒子物理学的简化模型中，对映对偶也是出乎意料的。他们的玩具模型控制着具有额外对称性的虚构胶子，从而能够更精确地计算散射幅度。对偶性将涉及这些胶子的散射过程与需要与不同理论描述的粒子进行外部相互作用的过程联系起来。

迪克森认为他对二元性的来源有一个非常微弱的线索。

回想一下 Volovich 和她的同事发现的那些莫名其妙的规则，这些规则规定了在散射幅度中允许哪些单词组合。一些规则似乎任意限制了哪些字母可以在两个胶子到胶子加希格斯振幅中彼此相邻出现。但是将这些规则映射到对偶的另一边，它们会转化为一套完善的规则，确保因果关系——保证传入粒子之间的相互作用发生在传出粒子出现之前。

对于 Dixon 来说，这是对两个振幅之间更深层次物理联系的一个微小暗示，并且有理由认为标准模型中可能存在类似的东西。 “但它很弱，”他说。 “这就像，二手信息。”

已经发现了不同物理现象之间的其他二元性。例如，AdS-CFT 对应关系，其中一个没有重力的理论世界与一个有重力的世界是双重的，自 1997 年发现以来已经推动了数千篇研究论文。但是，这种二元性也只存在于一个具有与实际宇宙不同的扭曲几何形状的引力世界。尽管如此，对于许多物理学家来说，多重二元性在我们的世界中几乎存在的事实暗示他们可能正在触及一个包罗万象的理论结构的表面，其中这些令人惊讶的联系是显而易见的。 “我认为他们都是故事的一部分，”迪克森说。