诺贝尔委员会的物理错误了吗?

在一篇不同寻常的论文中,一位着名的理论物理学家表示, 。 意大利的里雅斯特国际理论物理中心的阿列克谢·斯米尔诺夫说,这两位获奖者领导的大型实验研究了称为中微子的粒子,值得获奖。 但是,诺贝尔委员会对他们的研究结果的简洁12字描述错误地说明了其中一项实验。

加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学的中微子物理学家Giorgio Gratta表示,“当然,他认为引用本质上是错误的。”他没有参与任何一项获奖实验。 然而,瑞典乌普萨拉大学的中微子物理学家,诺贝尔委员会成员奥尔加博特纳表示,“诺贝尔奖的引用必然是短暂的,并不能反映所有被发现的细节。”

出生于某些核相互作用并且几乎无质量,中微子几乎不会与普通物质调情。 它们有三种类型或“味道” - 电子,μ子和tau - 并且奇怪地,可以从一种类型变为另一种类型,因此电子中微子可以变成μ子中微子并再次返回。 这种来回的“中微子振荡”证明了中微子具有质量。 根据爱因斯坦的相对论,如果中微子没有质量,它们必须以光速移动,至少在真空中移动。 如果是这样的话,他们的时间会停滞不前,改变是不可能的。

2015年物理学诺贝尔荣获两项实验的领导者“ 。” 东京大学的粒子物理学家Takaaki Kajita和他的同事在日本使用了一个名为Super-Kamiokande(SuperK)的巨型地下粒子探测器来研究宇宙射线撞击大气时产生的高能μ子中微子。 1998年,他们报告说,那些从上面下来的人数超过了那些从地球上下来的人,这表明那些穿越地球的漫长旅程中的一些人正在沿着电子和tau中微子的方向摆动,这是SuperK无法察觉的。

加拿大金斯敦女王大学的亚瑟麦克唐纳及其同事在一个名为萨德伯里中微子天文台(SNO)的矿井中使用探测器来研究来自太阳的低能中微子,它们作为电子中微子在核相互作用中诞生。 该团队采用了两种技术:一种只能计算电子中微子,另一种对所有类型都敏感。 在2001年和2002年,SNO报告说,电子中微子仅占太阳发出的所有中微子的34%,这表明有些中子正在改变口味。 根据诺贝尔委员会的说法,SuperK和SNO的结果共同证明了中微子的振荡。

斯米尔诺夫在9月8日发表的一篇论文中指出,除了外,他还向arXiv预印本服务器发布了这一消息。 SNO的结果证明,来自太阳的电子中微子改变了它们的类型,但它们是通过不同的物理特性实现的,基本上不依赖于中微子振荡,Smirnov说。 他说,诺贝尔奖委员会不仅在短奖引文中,而且在更长时间的也犯了错误。 “毫无疑问,该实验应该获得诺贝尔奖,”斯米尔诺夫说。 “这只是他们实际看到的问题。”

中微子振荡的发生是因为,奇怪的是,具有明确风味的中微子 - 例如电子中微子 - 没有明确定义的质量。 也就是说,物理学家不能说电子中微子有一个质量,μ子中微子有另一个质量,而tau中微子有三分之一。 相反,由于量子怪异,每个都是三种不同“质量状态”的不同组合,它们本身由三种口味的不同组合构成。 在数学上,质量状态以一种方式网状结合在一起形成电子中微子,另一种方式用于制造μ子中微子,第三种方法是制造像中微子一样的拼图块,可以用不同的方式组装成三种不同的物体。

至关重要的是,由于它们的质量不同,三个质量状态在时间上的变化也不同,因此它们的网格也会发生变化。 例如,对于μ子中微子,质量状态的μ子组件相互增强,而它们的电子和tau组件相互抵消。 过了一会儿,质量状态的'tau部分将相互加强,而其他部分抵消,将μ子中微子转变为tau中微子。 等待更长时间,质量状态的μ子部分将再次强化,将tau中微子变回μ子中微子。 这种机制需要以不同速率旋转的多个质量状态,并且它解释了SuperK结果。

相反,SNO结果涉及物质对中微子的微妙影响。 电子中微子从太阳深处的核相互作用中出现,进入一个富含电子的环境。 与这些电子的相互作用改变了中微子的质量状态和它们的味道构成,就像与物质的相互作用可以减慢光子的爬行一样。 由于这种“物质效应”,太阳心脏中的电子中微子仅由一种质量状态组成,而质量状态仅由一种味道组成:电子。

然而,当中微子从太阳出来时,电子密度下降,其对质量状态的影响减弱。 因此,该州通常的电子,μ子和tau的风味组合出现了。 因此,来自太阳的电子中微子以不涉及来回中微子振荡的方式改变风味,但仅仅反映了电子密度的变化,Smirnov说。 他说,这种“绝热风味转换”甚至不要求中微子具有质量,因为一旦中微子逃离太阳的扭曲环境,所涉及的一个质量状态可能没有质量。 斯米尔诺夫说,SNO研究人员正确地描述了他们的结果,并没有声称观察到中微子振荡。

一些物理学家说斯米尔诺夫坚持中微子振荡的特别精确的定义。 “他对物理学是正确的,”北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学的中微子物理学家Kate Scholberg说。 “但我个人认为,在SNO结果时,可以引用中微子振荡,因为这是常见用法”。

然而,斯米尔诺夫说,即使在SNO结果之后,关于中微子如何工作的“五六个”解释仍然可行,包括中微子衰变的可能性或它们经历异乎寻常的新的相互作用。 斯米尔诺夫说,只有经过另一次实验后,日本富山的Kamioka液体闪烁体反中微子探测器(KamLAND) 具有三种风味和三种质量状态的中微子的焦点,他们 2002年中 。 因此,他说,KamLAND可能会分享诺贝尔奖。

一些物理学家说,无论如何,委员会可能会给麦当劳和SNO一个更简单的引用。 研究人员在20世纪60年代后期首次从太阳中探测到电子中微子,但测得的太阳模型预测量不到一半,这是一个有争议的差异,被称为 。 SNO表明,与许多物理学家的期望相反,太阳模型是正确的,但中微子在前往地球的途中正在改变味道。 “很明显SNO应该得到诺贝尔奖,因为他们解决了太阳中微子问题,”弗吉尼亚理工学院和布莱克斯堡州立大学的理论物理学家帕特里克·胡贝尔说。

如果每个人都同意SNO和麦当劳应该获得诺贝尔奖,为什么要提出引文呢? 他说,许多年轻的物理学家不明白SNO结果和太阳中微子问题的解决方案不涉及中微子振荡。 Scholberg说,这是合情合理的,因为大多数中微子物理学家都致力于研究中微子振荡的实验:“可能很多[年轻的物理学家]不了解太阳中微子,因为它不是每天都在工作的东西。”