Er is een nieuwe en verrassende dualiteit ontdekt in de theoretische deeltjesfysica. De dualiteit bestaat tussen twee soorten verstrooiingsprocessen die kunnen optreden bij de protonbotsingen in de Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland en Frankrijk. Het feit dat dit verband verrassend genoeg kan worden gemaakt, wijst op het feit dat er iets is in de ingewikkelde details van het standaardmodel van de deeltjesfysica dat niet volledig wordt begrepen. Het standaardmodel is het model van de wereld op subatomaire schaal dat alle deeltjes en hun interacties verklaart, dus als er verrassingen verschijnen, is er reden voor aandacht. Het wetenschappelijke artikel is nu gepubliceerd in Physical Review Letters .

Dualiteit in de natuurkunde

Het concept van dualiteit komt voor op verschillende gebieden van de natuurkunde. De meest bekende dualiteit is waarschijnlijk de deeltjesgolf-dualiteit in de kwantummechanica. Het beroemde dubbelspletenexperiment laat zien dat licht zich als een golf gedraagt, terwijl Albert Einstein zijn Nobelprijs ontving omdat hij aantoonde dat licht zich als een deeltje gedraagt.

Het vreemde is dat licht eigenlijk beide is en geen van beide tegelijk. Er zijn gewoon twee manieren waarop we naar deze entiteit, licht, kunnen kijken, en elk heeft een wiskundige beschrijving. Beiden met een heel ander intuïtief idee, maar beschrijven nog steeds hetzelfde.

"Wat we nu hebben gevonden, is een vergelijkbare dualiteit", legt Matthias Wilhelm, assistent-professor aan de Niels Bohr International Academy, uit. "We hebben de voorspelling berekend voor het ene verstrooiingsproces en voor een ander verstrooiingsproces.

Onze huidige berekeningen zijn minder experimenteel tastbaar dan het beroemde dubbelspletenexperiment, maar er is een duidelijke wiskundige kaart tussen de twee, en het laat zien dat ze allebei dezelfde informatie bevatten. Ze zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden."

Theorie en experimenten gaan hand in hand

De Large Hadron Collider botst met veel protonen - in deze protonen zijn er veel kleinere deeltjes, de subatomaire deeltjes gluonen en quarks.

Bij de botsing kunnen twee gluonen van verschillende protonen op elkaar inwerken en worden nieuwe deeltjes gecreëerd, zoals het Higgs-deeltje, wat resulteert in ingewikkelde patronen in de detectoren.

Onderzoekers brengen in kaart hoe deze patronen eruitzien, en het theoretische werk dat in verband met de experimenten wordt gedaan, heeft tot doel om precies te beschrijven wat er in wiskundige termen gebeurt, om een ​​algemene formulering te creëren en om voorspellingen te doen die kunnen worden vergeleken met de resultaten van de experimenten.

"We hebben het verstrooiingsproces berekend voor twee gluonen die interactie hebben om vier gluonen te produceren, evenals het verstrooiingsproces voor twee gluonen die interactie hebben om een ​​gluon en een Higgs-deeltje te produceren, beide in een enigszins vereenvoudigde versie van het standaardmodel. ontdekte dat de resultaten van deze twee berekeningen gerelateerd zijn. Een klassiek geval van dualiteit. Op de een of andere manier bevat het antwoord op hoe waarschijnlijk het is dat het ene verstrooiingsproces plaatsvindt, het antwoord in zich op hoe waarschijnlijk het is dat het andere verstrooiingsproces plaatsvindt. Het vreemde van deze dualiteit is dat we niet weten waarom deze relatie tussen de twee verschillende verstrooiingsprocessen bestaat. We mengen twee heel verschillende fysieke eigenschappen van de twee voorspellingen, en we zien de relatie, maar het is nog steeds een beetje een mysterie waarin het verband ligt", zegt Matthias Wilhelm.

Het dualiteitsprincipe en de toepassing ervan

Volgens de huidige inzichten zouden de twee niet met elkaar verbonden moeten zijn, maar met de ontdekking van deze verrassende dualiteit is de enige juiste manier om erop te reageren, verder te onderzoeken.

Verrassingen betekenen altijd dat er iets is waarvan we nu weten dat we het niet begrijpen. Na de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 zijn er geen nieuwe, sensationele deeltjes meer ontdekt. De manier waarop we nu nieuwe fysica hopen te detecteren, is door heel nauwkeurige voorspellingen te doen over wat we verwachten dat er gaat gebeuren, ze dan te vergelijken met zeer nauwkeurige metingen van wat de natuur ons laat zien, en kijken of we daar afwijkingen kunnen vinden.

We hebben veel nauwkeurigheid nodig, zowel experimenteel als theoretisch. Maar met meer precisie komen moeilijkere berekeningen. "Dus waar dit leidend zou kunnen zijn, is werken om te zien of deze dualiteit kan worden gebruikt om er een soort "kilometerstand" uit te halen, omdat de ene berekening eenvoudiger is dan de andere - maar toch geeft het het antwoord op de meer gecompliceerde berekening", legt Matthias Wilhelm uit.

"Dus als we genoegen kunnen nemen met het gebruik van de eenvoudige berekening, kunnen we de dualiteit gebruiken om de vraag te beantwoorden die anders ingewikkelder berekeningen zou vereisen - maar dan moeten we de dualiteit echt begrijpen. Het is echter belangrijk op te merken dat we niet daar nog niet. Maar meestal zijn de vragen die voortkomen uit onverwacht gedrag van dingen een stuk interessanter dan een ordelijke en verwachte uitkomst." + Verder verkennen

Voor het eerst berekenen wetenschappers rigoureuze verstrooiing van drie deeltjes uit theorie