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Theorists discover the ‘Rosetta Stone’ for neutrino physics

通常情况下,数学家们发现数学,物理学家们借用并改造这些想法来解释宇宙。但是芝加哥大学和两个国家实验室的三位物理学家在以线性代数为基础的粒子物理学研究中发现了一个基本的特性。

三位理论物理学家——布鲁克海文国家实验室的科学家、费米实验室中微子物理中心的学者彼得·丹顿;斯蒂芬·帕克,芝加哥大学附属的费米国家加速器实验室的理论物理学家;和帕克一起工作的芝加哥大学研究生张西宁(Xining Zhang)正在研究中微子的性质。中微子是一种很少与物质相互作用的粒子,每天有数万亿个中微子不知不觉地穿过你的身体。

当中微子传播时,它们会在不同的“口味”之间来回翻转。“科学家们用一种叫做特征向量和特征值的数学表达式来描述这些振荡。

特征向量和特征值是将矩阵的性质简化为其最基本成分的两种重要方法,在许多数学、物理和现实世界中都有应用。特征向量确定转换发生的方向,特征值指定发生的拉伸或压缩量。

然而,Denton、Parke和Zhang的公式将特征向量和特征值直接联系起来,这是以前没有被认识到的。

虽然特征值是不可避免的棘手,这个新的结果表明,特征向量可以写在一个简单,紧凑和易于记忆的形式一旦特征值计算。出于这个原因,三位科学家在他们最初的出版物中将中微子振荡的特征值称为“罗塞塔石碑”:“一旦你有了它们,你就知道了你想知道的一切。”

专家们完全相信这个公式会在几个世纪以来的文献中一直存在,但研究小组在网上或教科书中找不到任何证据。这三位理论家最终被加州大学洛杉矶分校(UCLA)数学教授陶泰伦斯(Terence Tao)引向了类似的结果。陶获得了菲尔兹奖(Fields Medal)和突破奖(Breakthrough Prize)。当他们把结果呈给陶时,他高兴地宣称,这实际上是一个新身份的发现,并提供了几个数学证明,这些证明最近在网上发布。(陶也在他的数学博客中讨论了这个新身份。)

“一开始我不敢相信,因为线性代数已经被研究了几个世纪,”张说。“但陶教授的证明表明,我们用来快速、准确地计算中微子振荡的方法,也可以用一个非常优雅的数学公式来表达。”

在粒子物理学之外,特征值和特征向量被用于分析振动系统和面部识别程序。线性代数在定量科学、工程和经济学中无处不在,就像简单的计算器被用于日常生活一样。

-节选自费米实验室网站上的一篇文章。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/theorists-discover-rosetta-stone-neutrino-physics