Έκανε λάθος η επιτροπή του Νόμπελ τη φυσική;

Σε μια ασυνήθιστη εργασία, ένας κορυφαίος θεωρητικός φυσικός λέει ότι η αναφορά για το Νόμπελ Φυσικής 2015 είναι λάθος. Οι δύο νικητές, οι οποίοι οδήγησαν τεράστια πειράματα που μελέτησαν σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα, άξιζαν το βραβείο, λέει ο Alexei Smirnov του Διεθνούς Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής στην Τεργέστη της Ιταλίας. Αλλά η εύστοχη περιγραφή 12 λέξεων της επιτροπής Νόμπελ για τα ευρήματά της υποδηλώνει λάθος τι έκανε ένα από τα πειράματα.

"Σίγουρα, έχει δίκιο ότι η παραπομπή είναι ουσιαστικά λάθος", λέει ο Giorgio Gratta, ένας φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο Stanford στο Palo Alto της Καλιφόρνια, ο οποίος δεν συμμετείχε σε κανένα από τα βραβευμένα πειράματα. Ωστόσο, η Όλγα Μπότνερ, φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία και μέλος της επιτροπής Νόμπελ, λέει ότι «[η] αναφορά για το βραβείο Νόμπελ είναι αναγκαστικά σύντομη και δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει όλες τις λεπτομέρειες των ανακαλύψεων που αναγνωρίζονται». /P>

Γεννημένα σε ορισμένες πυρηνικές αλληλεπιδράσεις και σχεδόν χωρίς μάζα, τα νετρίνα μόλις και μετά βίας φλερτάρουν με τη συνηθισμένη ύλη. Έρχονται σε τρεις τύπους ή «γεύσεις»—ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ—και, περιέργως, μπορούν να αλλάξουν από τον έναν τύπο στον άλλο, έτσι ώστε ένα νετρίνο ηλεκτρονίων να μπορεί να μετατραπεί σε νετρίνο μιονίου και πάλι πίσω. Τέτοιες «ταλαντώσεις νετρίνων» μπρος-πίσω αποδεικνύουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα. Αν τα νετρίνα δεν είχαν μάζα, θα έπρεπε να κινούνται με ταχύτητα φωτός, τουλάχιστον στο κενό, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Εάν συνέβαινε αυτό, ο χρόνος για αυτούς θα σταματούσε και η αλλαγή θα ήταν αδύνατη.

Το Νόμπελ Φυσικής του 2015 τίμησε τους ηγέτες δύο πειραμάτων «για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων νετρίνων, που δείχνει ότι τα νετρίνα έχουν μάζα». Ο Takaaki Kajita, ένας σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν έναν τεράστιο ανιχνευτή υπόγειων σωματιδίων στην Ιαπωνία που ονομάζεται Super-Kamiokande (SuperK) για να μελετήσουν τα νετρίνα μιονίων υψηλής ενέργειας που δημιουργούνται καθώς οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν την ατμόσφαιρα. Το 1998, ανέφεραν ότι εκείνοι που έπεφταν από ψηλά ήταν περισσότεροι από εκείνους που ανέβαιναν μέσω της Γης, υποδηλώνοντας ότι μερικοί από εκείνους που έκαναν το μεγαλύτερο ταξίδι στον πλανήτη ταλαντεύονταν στην πορεία σε ηλεκτρόνια και νετρίνα ταυ, τα οποία το SuperK δεν μπορούσε να ανιχνεύσει. P>

Ο Άρθουρ ΜακΝτόναλντ του Πανεπιστημίου Queen στο Κίνγκστον του Καναδά και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν έναν ανιχνευτή σε ένα ορυχείο που ονομάζεται Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury (SNO) για να μελετήσουν τα νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο, όπου γεννιούνται σε πυρηνικές αλληλεπιδράσεις ως νετρίνα ηλεκτρονίων. Η ομάδα χρησιμοποίησε δύο τεχνικές:μία που μπορούσε να μετρήσει μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων και μία που ήταν ευαίσθητη σε όλους τους τύπους. Το 2001 και το 2002, το SNO ανέφερε ότι τα νετρίνα ηλεκτρονίων αντιπροσώπευαν μόλις το 34% όλων των νετρίνων που προέρχονταν από τον ήλιο, υποδηλώνοντας ότι ορισμένα άλλαζαν γεύσεις στην πορεία. Μαζί, τα αποτελέσματα SuperK και SNO αποδεικνύουν ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται, σύμφωνα με την επιτροπή Νόμπελ.

Εκτός από το ότι τα αποτελέσματα του SNO δεν δείχνουν κάτι τέτοιο, υποστηρίζει ο Smirnov σε μια εφημερίδα που δημοσιεύτηκε στις 8 Σεπτεμβρίου στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv. Τα αποτελέσματα του SNO απέδειξαν ότι τα νετρίνα ηλεκτρονίων από τον ήλιο αλλάζουν τον τύπο τους, αλλά το κάνουν μέσω μιας διαφορετικής φυσικής που είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη από τις ταλαντώσεις νετρίνων, λέει ο Smirnov. Η επιτροπή Νόμπελ έκανε αυτό το λάθος όχι μόνο στη σύντομη αναφορά του βραβείου, αλλά και στη μεγαλύτερη τεχνική εξήγηση του βραβείου, λέει. «Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το πείραμα αξίζει να του απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ», λέει ο Smirnov. "Είναι απλώς ένα ζήτημα του τι είδαν στην πραγματικότητα."

Οι ταλαντώσεις νετρίνων συμβαίνουν επειδή, παραδόξως, ένα νετρίνο με καθορισμένη γεύση - όπως ένα νετρίνο ηλεκτρονίων - δεν έχει μια καλά καθορισμένη μάζα. Δηλαδή, οι φυσικοί δεν μπορούν να πουν ότι το νετρίνο του ηλεκτρονίου έχει μία μάζα, το νετρίνο του μιονίου έχει άλλη μάζα και το νετρίνο ταυ τρίτη. Αντίθετα, χάρη στην κβαντική παραξενιά, το καθένα είναι ένας διαφορετικός συνδυασμός τριών διαφορετικών «καταστάσεων μάζας», οι οποίες αποτελούνται από διαφορετικούς συνδυασμούς των τριών γεύσεων. Μαθηματικά, οι καταστάσεις μάζας συνδυάζονται με έναν τρόπο για να δημιουργήσουν ένα νετρίνο ηλεκτρονίων, έναν άλλο για να δημιουργήσουν ένα νετρίνο μιονίων και έναν τρίτο τρόπο για να δημιουργήσουν ένα νετρίνο ταυ—σαν κομμάτια παζλ που μπορούν να συναρμολογηθούν με διαφορετικούς τρόπους για να φτιάξουν τρία διαφορετικά αντικείμενα. /P>

Είναι σημαντικό, χάρη στις διαφορετικές μάζες τους, οι τρεις καταστάσεις μάζας εξελίσσονται διαφορετικά στο χρόνο, οπότε αλλάζει και ο τρόπος με τον οποίο πλένονται. Για παράδειγμα, για ένα νετρίνο μιονίων τα συστατικά μιονίων των καταστάσεων μάζας αλληλοενισχύονται ενώ τα συστατικά ηλεκτρονίων και ταυ αλληλοαναιρούνται. Μετά από λίγο, τα μέρη ταυ των καταστάσεων μάζας θα ενισχύονται το ένα το άλλο ενώ τα άλλα μέρη ακυρώνονται, μετατρέποντας το νετρίνο μιονίου σε νετρίνο ταυ. Περιμένετε περισσότερο, και τα μέρη του μιονίου των καταστάσεων μάζας θα ενισχυθούν ξανά, μετατρέποντας το ταυ νετρίνο ξανά σε νετρίνο μιονίων. Αυτός ο μηχανισμός απαιτεί πολλαπλές καταστάσεις μάζας που στροβιλίζονται με διαφορετικούς ρυθμούς και εξηγεί τα αποτελέσματα του SuperK.

Αντίθετα, τα αποτελέσματα του SNO περιλαμβάνουν τη λεπτή επίδραση της ύλης στα νετρίνα. Τα νετρίνα ηλεκτρονίων αναδύονται από πυρηνικές αλληλεπιδράσεις βαθιά μέσα στον ήλιο σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε ηλεκτρόνια. Οι αλληλεπιδράσεις με αυτά τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τις καταστάσεις μάζας των νετρίνων και τη σύνθεση της γεύσης τους, όπως ακριβώς οι αλληλεπιδράσεις με την ύλη μπορούν να επιβραδύνουν ένα φωτόνιο σε ανίχνευση. Ως αποτέλεσμα αυτού του "φαινόμενου ύλης", τα νετρίνα ηλεκτρονίων στην καρδιά του ήλιου αποτελούνται από μία μόνο κατάσταση μάζας και αυτή η κατάσταση μάζας αποτελείται από μία μόνο γεύση:ηλεκτρόνιο.

Καθώς το νετρίνο βγαίνει από τον ήλιο, ωστόσο, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων μειώνεται και τα αποτελέσματά του στην κατάσταση της μάζας εξασθενούν. Έτσι αναδύεται ο συνήθης γευστικός συνδυασμός ηλεκτρονίων, μιονίου και ταυ της πολιτείας. Έτσι, τα νετρίνα ηλεκτρονίων από τον ήλιο αλλάζουν γεύση με τρόπο που δεν περιλαμβάνει ταλαντώσεις νετρίνων μπρος-πίσω, αλλά απλώς αντανακλά τη μεταβαλλόμενη πυκνότητα ηλεκτρονίων, λέει ο Smirnov. Μια τέτοια «αδιαβατική μετατροπή γεύσης» δεν απαιτεί καν τα νετρίνα να έχουν μάζα, λέει, καθώς η μία κατάσταση μάζας που εμπλέκεται θα μπορούσε να έχει μηδενική μάζα μόλις τα νετρίνα ξεφύγουν από το παραμορφωτικό περιβάλλον του ήλιου. Οι ερευνητές του SNO περιέγραψαν σωστά τα αποτελέσματά τους και δεν ισχυρίστηκαν ότι παρατήρησαν ταλαντώσεις νετρίνων, λέει ο Smirnov.

Μερικοί φυσικοί λένε ότι ο Smirnov εμμένει σε έναν ιδιαίτερα ακριβή ορισμό των ταλαντώσεων νετρίνων. «Έχει δίκιο για τη φυσική», λέει η Kate Scholberg, φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο Duke στο Durham της Βόρειας Καρολίνας. "Αλλά προσωπικά πιστεύω ότι είναι εντάξει να υπάρχει η αναφορά για τις ταλαντώσεις νετρίνων επειδή αυτή ήταν η κοινή χρήση" την εποχή των αποτελεσμάτων του SNO.

Ωστόσο, ο Smirnov λέει ότι ακόμη και μετά τα αποτελέσματα του SNO, "πέντε ή έξι" εξηγήσεις για το πώς λειτουργούν τα νετρίνα παρέμειναν βιώσιμες, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας τα νετρίνα να διασπώνται ή να υφίστανται εξωτικές νέες αλληλεπιδράσεις. Η εικόνα των νετρίνων με τρεις γεύσεις και τρεις καταστάσεις μάζας ήρθε στο επίκεντρο μόνο μετά από ένα άλλο πείραμα, τον ανιχνευτή αντινετρίνο υγρού σπινθηριστή Kamioka (KamLAND) στην Toyama της Ιαπωνίας, που παρατήρησε ταλαντώσεις ηλεκτρονίων αντινετρίνων από πυρηνικούς αντιδραστήρες το 2002, λέει ο Smirnov. Για αυτόν τον λόγο, λέει, ο KamLAND μπορεί να συμμετείχε στο βραβείο Νόμπελ.

Ανεξάρτητα από αυτό, η επιτροπή μπορεί να είχε δώσει στον McDonald και στο SNO μια πιο απλή αναφορά, λένε ορισμένοι φυσικοί. Οι ερευνητές εντόπισαν για πρώτη φορά νετρίνα ηλεκτρονίων από τον ήλιο στα τέλη της δεκαετίας του 1960, αλλά μέτρησαν λιγότερο από το ήμισυ της ποσότητας που προβλεπόταν από τα ηλιακά μοντέλα, μια αμφιλεγόμενη απόκλιση γνωστή ως πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Το SNO έδειξε ότι, σε αντίθεση με τις προσδοκίες πολλών φυσικών, τα ηλιακά μοντέλα ήταν σωστά, αλλά ότι τα νετρίνα άλλαζαν γεύση στο δρόμο τους προς τη Γη. "Είναι πραγματικά ξεκάθαρο ότι η SNO άξιζε το βραβείο Νόμπελ επειδή έλυσε το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων", λέει ο Patrick Huber, θεωρητικός φυσικός στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Βιρτζίνια και στο Κρατικό Πανεπιστήμιο στο Μπλάκσμπουργκ.

Γιατί να αναφέρετε την παραπομπή εάν όλοι συμφωνούν ότι το SNO και η McDonald αξίζουν το βραβείο Νόμπελ; Πολλοί νεότεροι φυσικοί δεν καταλαβαίνουν ότι τα αποτελέσματα του SNO και η λύση του προβλήματος των ηλιακών νετρίνων δεν περιλαμβάνουν ταλαντώσεις νετρίνων, λέει. Αυτό είναι εύλογο, λέει ο Scholberg, δεδομένου ότι οι περισσότεροι φυσικοί των νετρίνων εργάζονται σε πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για τη μελέτη των ταλαντώσεων νετρίνων:"Πιθανώς πολλοί [νεότεροι φυσικοί] να μην γνωρίζουν για τα ηλιακά νετρίνα επειδή δεν είναι αυτό με το οποίο εργάζονται καθημερινά."