;
Кейсы 26 апреля 2022

Необъяснимую двойственность нашли в физике элементарных частиц: к чему это приведет

Далее

В теоретической физике элементарных частиц обнаружили новую и удивительную двойственность. Авторы исследования отмечают, что она приведет к открытию «новой физики». «Хайтек» рассказывает подробности о новом исследовании.

Ученые обнаружили двойственность между двумя типами процессов рассеяния при столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Новое открытие указывает на то, что в сложных деталях Стандартной модели физики элементарных частиц есть не до конца изученные процессы. 

Двойственность в физике

Понятие двойственности встречается в разных областях физики. Наиболее известный пример — корпускулярно-волновой дуализм в квантовой механике. Знаменитый двухщелевой эксперимент Томаса Юнга показал, что свет ведет себя как волна, а Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за то, что показал — свет ведет себя как частица.

Странно то, что свет на самом деле является и тем, и другим одновременно. Есть просто два способа взглянуть на него, и каждый из них имеет математическое описание. Совершенно разные объяснения одного и того же объекта.

«То, что мы сейчас обнаружили, — это подобная двойственность, — объясняет Матиас Вильгельм, доцент Международной академии Нильса Бора. — Мы рассчитали прогноз для двух процессов рассеяния. Текущие расчеты менее осязаемы с экспериментальной точки зрения, чем знаменитый двухщелевой эксперимент. Однако между ними существует четкая математическая карта, которая показывает, что оба процесса содержат одну и ту же информацию. Они как-то связаны».

Новый эксперимент

На Большом адронном коллайдере взаимодействует множество протонов — среди них есть много субатомных частиц, глюонов и кварков. При столкновении два глюона от разных протонов могут взаимодействовать, и появляются новые частицы, такие как бозон Хиггса. Эти процессы создают интересные узоры в детекторах.

Источник: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Исследователи составляют карту того, как выглядят эти паттерны, а физики-теоретики описывают эти процессы в математических терминах. Цель — собрать достаточное количество данных для создания прогнозов, которые можно сравнить с результатами экспериментов.

В ходе такой работы ученые рассчитали процесс рассеяния двух глюонов, взаимодействующих с образованием четырех глюонов, а также процесс рассеяния двух глюонов, взаимодействующих с образованием глюона и частицы Хиггса, в слегка упрощенной версии Стандартной модели. Оказалось, что результаты этих двух расчетов связаны. «Это классический случай двойственности, — объясняют ученые. — Каким-то образом ответ о том, насколько вероятно, что произойдет один процесс рассеяния, связан с тем, насколько вероятно, что произойдет и второй».

С левой стороны — процесс рассеяния с участием двух глюонов (зеленый/желтый и синий/голубой), взаимодействующих с образованием глюона (красный/пурпурный) и частицы Хиггса (белый). Более сложный процесс рассеяния справа отражает более простой процесс слева, но здесь — два глюона (зеленый/желтый и синий/голубой), взаимодействующих с образованием четырех глюонов (красный/пурпурный, красный/желтый), синий/пурпурный и зеленый/голубой). Черный цвет символизирует тот факт, что при самом столкновении может произойти множество различных элементарных взаимодействий. Предоставлено: Сорен Дж. Гранат

Странность этой двойственности заключается в том, что ученые понятия не имеют, почему вообще существует связь между двумя различными процессами рассеяния. «Мы смешиваем два очень разных физических свойства двух предсказаний и видим связь. Но до сих пор остается загадкой, в чем она заключается», — объясняют авторы исследования.

Как это поможет ученым?

Согласно Стандартной модели и общепринятым законам физики, эти две вещи не должны быть связаны.

  • Стандартная модель — это модель мира на субатомном уровне, которая объясняет все частицы и их взаимодействия.

С открытием этой удивительной двойственности ученым, похоже, придется продолжить исследование. Физика в очередной раз удивила ученых и они надеются, открытие приведет к обнаружению новых частиц на БАК.

Так, после открытия бозона Хиггса в 2012 году никаких новых сенсационных частиц обнаружено не было. Чтобы сдвинуться с мертвой точки на «найти новую физику», ученые пытаются делать предсказания, сравнивать их с измерениями и искать возможные отклонения. Именно там может быть ответ.

Проблема в том, что для этих процессов нужна невероятная точность, как экспериментальная, так и теоретическая. Но чем больше расчеты, тем сложнее ее соблюсти. Тут и пригодится обнаруженная двойственность. Например, одно вычисление может оказаться проще другого, но оба они дадут одинаковый ответ. Ученые собираются продолжить эксперименты, насколько реальна их теория.

Читать далее

За ней охотились столетиями: что нам известно о планете Вулкан рядом с Солнцем

Астрономы нашли планету недалеко от Земли: у нее очень странная орбита

Ученые из Китая доказали, что современные сдвиги плит датируются 2,5 млрд лет