诺奖委员会错了? 2015年诺贝尔物理学奖描述有误

诺奖委员会错了? 2015年诺贝尔物理学奖描述有误

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网事

萨德伯里中微子天文台主要研究太阳中微子。图片来源:劳伦斯—伯克利国家实验室

在一篇不同寻常的论文中,一位著名理论物理学家表示2015年诺贝尔物理奖的介绍是错误的。意大利里雅斯特市国际理论物理研究中心的Alexei Smirnov说,当时,两位获奖者因领衔中微子的庞大实验而获得该奖项。但诺贝尔委员会用简洁有力的文字描述了其中一个实验的研究结果,但这个只有12个单词的描述是有问题的。

“显然,这段获奖描述在本质上是错误的,这点他没说错。”未参与两位获奖者实验的美国加利福尼亚州帕罗奥图市斯坦福大学中微子物理学家Giorgio Gratta说。但瑞典乌普萨拉大学中微子物理学家、诺贝尔评委会委员Olga Botner表示:“诺贝尔奖的引证必须是很短的,并不能反映出实验发现的所有细节。”

在某些核相互作用下产生的近乎没有质量的中微子,几乎不与其他物质作用。它们表现为三种形态或者“味道”——电子中微子、缪子中微子和陶子中微子,并且彼此间能相互变换形态,结果是一个电子中微子可以转变为缪子中微子然后再变回来。像这样反复变化形态的“中微子振荡”可以表明中微子具有质量。如果中微子没有质量,根据爱因斯坦相对论它们在真空中将以光速移动。如果这样的话,时间对于它们来讲将会是静止的,不可能发生形态的转变。

2015年的诺贝尔物理学奖授予了日本的Takaaki Kajita和加拿大的Arthur B. McDonald,以表彰他们在展现中微子变化的实验中所作出的重要贡献。他们分别在各自“发现中微子振荡,表明其具有质量”的实验中起到领导作用。

东京大学粒子物理学家Takaaki Kajita和团队使用超级神冈探测器,研究那些穿越大气层的宇宙射线所产生的高能缪子中微子。1998年,他们就报告了到达地面的缪子中微子的数量少于穿约大气层的缪子中微子,这可能表明缪子中微子在“旅行”中,一部分发生了振荡,并转变成神冈探测器不能探测到的电子中微子和陶子中微子。也就是说,大气中的中微子会在两种状态之间转换。

另外一位是来自金斯顿市皇后大学的Arthur B. McDonald。他和团队使用安装在矿井中的萨德伯里中微子天文台(SNO),研究来自太阳的低能中微子。在2001年、2002年,SNO报告称电子中微子在太阳产生的全部中微子中仅占34%,他们认为,太阳的中微子并不会消失在前往地球的路上,只是其中的一些已经转变了形态。他们在SNO中捕捉到另一种状态的太阳中微子。

而根据诺贝尔奖委员会的说法,超级神冈探测器与SNO的结果共同证明了中微子振荡。

但Smirnov发表在预印本服务器上的论文指出,SNO的结果并没有显示这个。Smirnov提到,SNO的结果证明了来自太阳的电子中微子会改变类型,但这主要依靠不同的物理过程,并非中微子振荡。诺贝尔奖委员会在这上面犯了错误。“毫无疑问,这个实验应该获得诺贝尔奖,只是评奖辞出了错。”Smirnov说。

理论上讲,中微子振荡也并不一定意味着其有质量。物理学家不能说电子中微子有一个质量,缪子中微子的质量是另一个,而陶子中微子又是一个质量。由于质量不同,它们的变化也不相同,于是质量不同的中微子在飞行中相互干涉,从而出现中微子振荡现象。超级神冈探测器的结果证明了这一理论。

相比之下,SNO的结论应该是中微子的“绝热味转换”。由于太阳核心电子密度很高,中微子与电子的散射带来一个很大的额外的势,即物质效应。太阳核心产生的电子中微子本身就是质量本征态,它内部只有一种质量成分,因此不会干涉和振荡。

但当电子中微子从太阳内部飞向表面时,密度逐渐降低,质量本征态也在演化。太阳中微子还是保持质量本征态,但不再是单纯的电子中微子,而是由3种味道的中微子混合组成,这样电子中微子就变成了其他中微子。但这不是振荡造成的,而是本征态解在随密度绝热变化。Smirnov 表示,SNO研究人员在描述结论时是正确的,并没有声称自己发现了中微子振荡。

也有人认为Smirnov 太较真儿。“对于物理学而言,Smirnov是正确的。”北卡罗莱纳州杜克大学中微子物理学家Kate Scholberg说,“但我个人认为诺贝尔奖的评奖词是可以的,因为这是习惯用法。”(张章编译)