在理論粒子物理學中發現了一個新的和令人驚訝的二元性。該二元性存在於兩種類型的散射過程之間，它們可能發生在瑞士和法國歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）中的質子對撞。令人驚訝的是，能夠建立這種聯繫的事實表明，在粒子物理學標準模型的精細錯綜複雜的過程中，有一些現象並沒有被完全理解。

標準模型是描述所有粒子及其相互作用的亞原子尺度的世界圖景，因此當意外發生時，就會引起人們的注意。這篇科學文章現在已經發表在《物理評論快報》雜誌上。

物理學中的二元性

二元性的概念出現在物理學的不同領域。最著名的二元性可以說是量子力學中的粒子-波二元性。經典的雙縫實驗證明了光是如何作為一種波的，但阿爾伯特-愛因斯坦因證明了光是如何作為一種粒子的而獲得諾貝爾獎。

奇怪的是，光實際上同時是兩者，又不是兩者。我們可以用簡單的兩種方式來看待光這個實體，而且每一種都有一個數學描述。兩者都有一個完全不同的直觀想法，但仍然描述了同一件事。

“我們現在發現的是一個類似的二元性，”尼爾斯-玻爾國際學院的助理教授馬蒂亞斯-威廉解釋說。”我們對一個散射過程和另一個散射過程的預測進行了計算。

我們目前的計算結果在實驗上不如著名的雙縫實驗那麼具體，但兩者之間有一個清晰的數學圖譜，它表明它們都包含相同的信息。它們在某種程度上是有聯繫的”。

理論與實驗齊頭並進

在大型強子對撞機上，科研人員碰撞了很多質子–在這些質子中，有很多更小的粒子，即亞原子粒子膠子和夸克。在碰撞中，來自不同質子的兩個膠子可以相互作用，產生新的粒子，如希格斯粒子，從而在探測器中形成複雜的圖案。

圖為粒子物理二元性複雜的散射過程，在左邊有一個涉及兩個膠子（綠色/黃色和藍色/青色）相互作用的散射過程，產生一個膠子（紅色/紅色）和一個希格斯粒子（白色）。右邊更複雜的散射過程被左邊更簡單的散射過程所反映，但這裡我們有一個兩個膠子（綠色/黃色和藍色/青色）相互作用產生四個膠子（紅色/桃紅、紅色/黃色、藍色/桃紅和綠色/青色）的散射過程。黑色象徵著這樣一個事實：在碰撞本身中，可能會發生許多不同的基本相互作用，我們必須對所有的可能性進行匯總。根據海森堡不確定性原理，我們無法知道究竟發生了什麼可能性–所以這是一個”黑盒子”。

研究人員繪製了這些模式的外觀，與實驗有關的理論工作旨在用數學術語精確描述所發生的事情，以創建一個整體的表述，以及做出可以與實驗結果相比較的預測。他們計算了兩個膠子相互作用產生四個膠子的散射過程，以及兩個膠子相互作用產生一個膠子和一個希格斯粒子的散射過程，兩者都是在一個略微簡化的標準模型中。

令我們驚訝的是，我們發現這兩個計算的結果是相關的。一個經典的二元性案例。不知何故，一個散射過程發生的可能性有多大，其答案中就包含了另一個散射過程發生的可能性有多大。

這種二重性的奇怪之處在於，我們不知道為什麼兩個不同的散射過程之間存在這種關係。Matthias Wilhelm說：”我們正在混合兩種非常不同的物理特性的預測，我們看到了這種關係，但它仍然是一個有點神秘的聯繫所在。

二元性原理及其應用

根據目前的理解，這兩者不應該有聯繫–但隨著這種令人驚訝的二元性的發現，對其作出反應的唯一正確方式是進一步調查。在2012年發現希格斯粒子之後，至今沒有發現新的、讓學界轟動的粒子。現在研究人員希望檢測新物理學的方式是通過對期望發生的事情做出非常精確的預測，然後將其與自然界向我們展示的非常精確的測量進行比較，看看是否能在那裡找到偏差。這個想法過去和現在都是為了推動我們對所處世界的認識。

在實驗和理論上，我們都需要大量的精確度。但是，隨著精度的提高，計算難度也隨之增加。”因此，這可能導致的工作是為了看看這種二元性是否可以用來獲得一種’里程’，因為一個計算比另一個簡單–但它仍然給出了更複雜的計算的答案，”馬蒂亞斯-威爾海姆解釋說。

“因此，如果我們可以滿足於使用簡單的計算，我們可能會使用二元性來回答這個問題，否則需要更複雜的計算- 但是，我們真的需要了解二元性。

但重要的是要注意，我們還沒有到那一步。但通常情況下，事物的意外行為所產生的問題要比有序的、預期的結果有趣得多”。

研究論文作者馬蒂亞斯-威廉在柏林洪堡大學獲得博士學位，然後於2015年加入尼爾斯-玻爾研究所。自2019年以來，他一直在領導一個維魯姆青年研究員初級研究小組，旨在解開在最小尺度上支配我們宇宙的數學結構。