Je Nobelov odbor razumel fiziko narobe?

V nenavadnem prispevku vodilni teoretični fizik pravi, da je navajanje Nobelove nagrade za fiziko 2015 napačno. Dva zmagovalca, ki sta vodila ogromne poskuse, ki sta preučevala delce, imenovane nevtrino, sta si zaslužila nagrado, pravi Aleksej Smirnov iz Mednarodnega centra za teoretično fiziko v Trstu v Italiji. Toda hudomušen opis besed Nobelovega odbora z 12 besedami napačno navaja enega od poskusov.

"Zagotovo ima prav, da je citiranje v bistvu napačno, " pravi Giorgio Gratta, nevtrinski fizik z univerze Stanford v Palo Altu v Kaliforniji, ki ni sodeloval v nobenem od nagradnih poskusov. Vendar Olga Botner, nevtrinska fizičarka na Univerzi Uppsala na Švedskem in članica Nobelovega odbora, pravi, da je "[t], ki ga navaja za Nobelovo nagrado, kratek in ne more odražati vseh podrobnosti odkritih odkritij."

Rojeni v določenih jedrskih interakcijah in skoraj množični, nevtrini se komaj spogledujejo z navadno snovjo. Na voljo so v treh vrstah ali "okusih" - elektroni, muon in tau - in čudno se lahko spremenijo iz ene vrste v drugo, tako da se lahko elektronski nevtrino spremeni v muonsko nevtrino in spet nazaj. Takšna "nevtrino nihanja" nazaj in nazaj dokazujejo, da imajo nevtrini maso. Če bi bili nevtrini brez mase, bi se morali premakniti s svetlobno hitrostjo, vsaj v vakuumu, po Einsteinovi teoriji relativnosti. Če bi bilo to tako, bi zanje čas miril, sprememba pa bi bila nemogoča.

Nobelov fizik za leto 2015 je vodje dveh poskusov "odkril nevtino nihanja, ki kažejo, da imajo nevtrini maso". Takaaki Kajita, fizik delcev na tokijski univerzi, in njegovi sodelavci so z japonskim podzemnim detektorjem delcev na Japonskem imenovali Super-Kamiokande (SuperK), da so preučevali visokoenergijske muonske nevtrine, ki nastajajo, ko kozmični žarki zadenejo atmosfero. Leta 1998 so poročali, da so tisti, ki so padali od zgoraj, več kot tisti, ki prihajajo skozi Zemljo, kar je nakazovalo, da nekateri tisti, ki so opravili daljše potovanje po planetu, nihajo po poti v nevtrone elektronov in tau, česar SuperK ni mogel zaznati.

Arthur McDonald z Queen's University v Kingstonu v Kanadi in sodelavci so uporabili detektor v rudniku, imenovanem Nevtrino observatorij Sudbury Neutrino (SNO), da bi preučevali nevtrine z nižjo energijo, ki prihajajo iz sonca, kjer se rodijo v jedrskih interakcijah kot elektronski nevtrini. Skupina je uporabila dve tehniki: eno, ki je štela samo elektronske nevtrine, in drugo, ki je bilo občutljivo na vse vrste. Leta 2001 in 2002 je SNO poročal, da elektronski nevtrini predstavljajo le 34% vseh nevtrinov, ki izhajajo iz sonca, kar kaže, da nekateri spreminjajo okuse na tej poti. Rezultati SuperK in SNO skupaj dokazujejo, da nevtrini oscilirajo, poroča Nobelova komisija.

Razen, da rezultati SNO ne kažejo ničesar, trdi Smirnov v prispevku, objavljenem 8. septembra na strežniku za tisk arXiv. Rezultati SNO so dokazali, da elektronski nevtrini iz sonca spreminjajo svoj tip, vendar to storijo z drugačnim koščkom fizike, ki je v bistvu neodvisen od nevtinskih nihanj, pravi Smirnov. Nobelov odbor se je tako zmotil ne le v navajanju kratkih nagrad, ampak tudi v svoji daljši tehnični razlagi nagrade, pravi. "Brez dvoma je, da bi si eksperiment zaslužil, da bo prejel Nobelovo nagrado, " pravi Smirnov. "To je samo vprašanje, kaj so dejansko videli."

Nevtrinska nihanja se pojavijo, ker nevtrino z določenim okusom, kot bi bil nevtronov elektronov, nima natančno določene mase. Fiziki ne morejo reči, da ima nevtro v elektroni eno maso, muonski nevtrino pa drugo maso, tau nevtrino pa tretjo. Namesto kvantne čudnosti je vsaka drugačna kombinacija treh različnih "masnih stanj", ki so sama sestavljena iz različnih kombinacij treh okusov. Matematično se masa naenkrat poveže v mrežo, da se naredi elektronski nevtrino, drugi naredi muonski nevtrino in na tretji način sestavi tau nevtrino podobne koščke sestavljanke, ki jih lahko sestavimo na različne načine, da naredimo tri različne predmete .

Ključno je, da se tri množična stanja, zahvaljujoč svojim različnim množicam, v času različno razvijajo, tako da se spreminjajo tudi njihovi očesi. Na primer, pri muonskem nevtrinu se muonske komponente masovnega stanja krepijo, medtem ko se njuni elektronski in tau komponenti medsebojno odpovedujeta. Čez nekaj časa se bodo tau deli množičnega stanja med seboj okrepili, medtem ko ostali deli odpovedo, preobrazijo muonski nevtrino v tau nevtrino. Počakajte dlje in mionski deli množičnih držav se bodo znova okrepili in tau nevtrino spremenili nazaj v muonsko nevtrino. Ta mehanizem zahteva več množičnih stanj, ki vrtinčijo z različnimi hitrostmi, in razloži rezultate SuperK.

V nasprotju s tem rezultati SNO vključujejo subtilen vpliv snovi na nevtrine. Elektronski nevtrini izhajajo iz jedrskih interakcij globoko pod soncem v okolje, bogato z elektroni. Interakcije s tistimi elektroni spremenijo stanje nevtrinosov in masovnega okusa, saj interakcije s snovjo lahko upočasnijo foton. Kot rezultat tega "učinka materije" so elektronski nevtrini v osrčju sonca sestavljeni samo iz enega masnega stanja in to masno stanje sestavlja samo en okus: elektron.

Medtem ko se nevtrino odpravlja iz sonca, pa gostota elektronov upada in vplivi na masno stanje upadajo. Tako nastane državna običajna kombinacija okusa elektrona, muona in taua. Tako elektronski nevtrini iz sonca spreminjajo okus na način, ki ne vključuje nevtrinih nihanj nazaj in nazaj, ampak preprosto odraža spreminjajočo se gostoto elektronov, pravi Smirnov. Takšna "pretvorba adiabatske arome" niti ne zahteva, da imajo nevtrini maso, saj bi lahko eno vpleteno masno maso doseglo nič maso, ko nevtrini uidejo izkrivljajočemu okolju sonca. Raziskovalci SNO so svoje rezultate opisali pravilno in niso zatrjevali opazovanja nevtinskih nihanj, pravi Smirnov.

Nekateri fiziki trdijo, da se Smirnov drži točno natančne opredelitve nevtinskih nihanj. "Prav ima fiziko, " pravi Kate Scholberg, nevtrinska fizičarka z univerze Duke v Durhamu v Severni Karolini. "Ampak osebno menim, da je v redu, ko so bili rezultati SNO navajati citiranje nevtinskih nihanj, ker je bila to običajna uporaba".

Vendar Smirnov pravi, da je tudi po rezultatih SNO "pet ali šest" razlag, kako delujejo nevtrini, sposobni preživeti, vključno z možnostjo, da nevtrini razpadajo ali da so podvrženi novim eksotičnim interakcijam. Slika nevtrinov s tremi okusi in tremi masnimi stanji je prišla v tesen poudarek šele po drugem poskusu. Tekoči scintillator Kamioka Antineutrino detektor (KamLAND) v Toyami na Japonskem je leta 2002 opazil nihanja elektronskih antinevtrinov iz jedrskih reaktorjev, pravi Smirnov. Zaradi tega bi, pravi, KamLAND lahko delil Nobelovo nagrado.

Nekateri fiziki menijo, da bi odbor McDonald in SNO morda dal enostavnejšo navedbo. Raziskovalci so prvič odkrili elektronske nevtrine iz sonca v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar so izmerili manj kot polovico količine, ki jo napovedujejo sončni modeli, sporno neskladje, znano kot problem sončnega nevtrina. SNO je pokazal, da so bili sončni modeli v nasprotju s pričakovanji številnih fizikov pravilni, vendar so nevtrini na poti na Zemljo spreminjali okus. "Res je jasno, da si je SNO zaslužil Nobelovo nagrado, ker so rešili problem sončnega nevtrina, " pravi Patrick Huber, teoretični fizik na Virginia Polytechnic Institute in državni univerzi v Blacksburgu.

Zakaj navajati navedbe, če se vsi strinjajo, da si SNO in McDonald zaslužita Nobelovo nagrado? Številni mlajši fiziki ne razumejo, da rezultati SNO in rešitev problema sončnega nevtrina ne vključujejo nevtinskih nihanj, pravi. To je verjetno, pravi Scholberg, glede na to, da večina nevtinskih fizikov dela na poskusih, namenjenih preučevanju nevtinskih nihanj: "Verjetno veliko [mlajših fizikov] ne ve o sončnih nevtrinih, ker to ni tisto, kar delajo vsak dan."