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《实验是如何终结的?》中性流真的存在吗?

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在1972年4月,拉加里格将中性流研究视为中微子项目三大主要目标之一。正如在他给当时的欧洲核子中心负责人威利巴尔德·延奇克(Willibald Jentschke)所写的书信中写道:“在温伯格的理论发表以后,每个人都渴望知道中性流是否真的存在。”[1]中性流研究,始于1972年1月的加尔加梅勒,到了1972年春季末期,对于整个写作团队的许多物理学家来说已经成为研究的核心领域之一。然而,有部分个人就该实验是否会肯定或驳斥温伯格的理论以及是否应优先追踪轻子或强子的通道等问题持不同意见。例如,在那年秋季,查尔斯·巴尔戴(Charles Baltay)、坎迪、费斯奈尔、珀金斯、米亚特以及豪尔赫·莫芬(Jorge Morfin)几乎将注意力全部放在单电子的研究上。[2]

当然,子组之间并不是完全封闭的。例如,珀金斯对在强子组的数据所产生的异常巨大的影响表示十分担忧,而他从痛苦的经历中了解到一个人能够轻易地被夸大的关于中性流的限制强度所欺骗。在牛津,珀金斯用钢笔给坎迪写了一篇技术备忘录。目的是:

鼓励协作团队中的人员仔细研究中性强子弱电流的问题,因为:①很可能会有明显的效果;②证明中性流存在的条件要(比在欧洲核子中心古老的气泡室时)更加优越。这会产生很大的影响,大到在加尔加梅勒细致系统的分析,通过采用室中获得的相互作用的位置以及事件更加清晰的统计数据,应该能够首次证明中性流的存在。[3]

巴尔戴给予了回应,声称他仅凭借低能量的μ介子就能解释过量的中性流事件。从第3章我们能够明确,μ介子,与强子不同,对其特点最精确的描述便是其能够穿透大量物质的能力。因此,在加尔加梅勒实验中(众多实验的典型),μ介子备选通过其穿过整个探测器的能力被识别出来。然而,如果有某个移动特别慢的μ介子产生于室内的相互作用并且停留在氟利昂中,它就会被误认为是一个强子。错误的是,扫描仪与物理学家会将该事件列为中性流的例证,而这却仅是荷电流物理学中一个再普通不过的例子。珀金斯怀疑所有的事件都能用这种方式来解释,因为早先的欧洲核子中心气泡室数据显示几乎没有低能量μ介子事件发生。“简而言之,”珀金斯写道:

我认为你的解释没有作用,并且我仍旧无法解释过量的中性流事件,尽管我当然不会去断言他们证明了中性流的存在。要提供最终的解决方案(如果有的话),当然需要对早先所得数据给出令人满意的解释。[4]

可以看出,珀金斯在努力克服一种不会自行慢慢消失的影响。然而,该现象涉及麻烦的假设,以及反驳他自己早先在欧洲核子中心做出的实验结果的显著困难。对不存在中性流这一传统观点的信任已经面对挑战但未被动摇。巴尔戴,像几名协作团队中的其他成员一样,保持了对轻子研究的狂热并继续在15英尺的费米国家加速器实验室气泡室从事关于中性流的研究。

缪塞、普利亚以及米兰代表团继续致力于强子通道的研究。在1972年6月,普利亚代表加尔加梅勒协作团队出席在匈牙利巴拉顿菲赖德召开的会议,在那里他做了一份关于强子中性流研究的进度报告。虽然他拒绝冒险对该影响是否会持续下去给出一个明确的判断,但他相信加尔加梅勒团队最终会计算出中子背景。[5]

在1972年7月,中性流研究小组对中性流问题已经产生了足够浓厚的兴趣,他们在巴黎召开了一次特别会议,与会人员没有包括其他中微子协作团队的成员。他们的目的是为将于1972年9月在伊利诺伊州巴达维亚的国家加速器实验室召开的一次会议准备报告。[6]在巴黎会议开始前,组织者要求所有中性流备选的图片提前发送到欧洲核子中心。该子组希望通过此举来统一用于区分荷电流事件与中性流事件的标准。遍布欧洲的7家实验室所承担的一项重要任务是处理加尔加梅勒的胶片。处理数据卡以针对总的纵向和横向动量以及位置绘制事件能量的分布。通过积累这些卡片并将信息录入数据汇总磁带,该小组希望一探有统计意义的背景问题。

对于整个小组来说,一个决定性论据的意义要远大于1972年初的首批猜想。通过改变普利亚报告中所采用的策略,强子研究小组放弃了相对罕见的介子形成的事件。反而,他们选择直接将注意力放在数量更多的一类事件中:中微子+(中子或质子)→中微子+任何事。

在1972年的巴士底日当天,巴尔戴、卡梅里尼、弗莱、缪塞、奥苏拉蒂以及普利亚,连同会议方案一起,书写了一份完全关于中性流问题的备忘录。[7]该子组成员建议他们最好能够将中微子从高能量的中子相互作用中单独分离出来,因为他们预计中子所含的能量大量少于中微子。简单地说,这是因为中微子是粒子束中的主要粒子,而中子是当中微子撞击核子时从核子中释放出来的。从已经得到的数据中该子组可以看出核子中放射出的质子(作用很像中子)仅含有中微子原始能量的一小部分。并且根据不受格拉肖-温伯格-萨拉姆理论支配的理论,核子内部质子与中子的相似之处在理论上很好理解。

该研究小组选择数据的精简方法是否因此依靠某种理论?是的,在某种意义上说,能量精简确实产生于新的理论。也就是说,没有新的弱电理论,此特定的现象领域可能不会被挑出作为研究对象。做这样精简绝不会保证中微子备选的数目会超过预计的中子诱发事件数目。此精简开拓出一片新的现象领域。在那个领域中,新的理论使能够发现中性流备选看似是合理的,但早先的理论则表明无法发现中性流。类似精简方式对于粒子物理学家所掌握的技巧来说,就像安排设备或评估粒子运行轨迹一样基本。每一层次的精简都要求实验的判断;每次都是必要配置的工具,用于从噪声中分离出信号。

到了1972年7月末,强子研究小组的注意力完全放在能够伪装成中性流的背景上。有5种结果让该团队担忧:

(1)中性粒子可能随着粒子束进入室中并在室中发生相互作用。

(2)中微子在室的周围产生的中子或中性K介子可能会进入室中并发生相互作用。

(3)宇宙射线产生的中性宇宙射线或中性粒子可能会带来不良影响。

(4)荷电流事件可能会产生不够活跃的μ介子,他们可能会停留在液体中被误认为是强子。

(5)中性K介子,在室内两种形式间来回摆动,可能会大幅延长穿透距离,远超原来天真的预期。

不是组内的所有人都同样担忧所有这些问题。例如,弗莱特别关心K介子再生的可能性(上述提到的背景5),也没有人因为宇宙射线而受到拖延,并且每个人都感觉有义务去解决慢速μ介子以及中子的问题。

1972年7月14日发表的子组报告的作者们认为可以通过几种方式来估算慢速μ介子的数目。首先,它们的数目能够半理论化地从标度假设中得到,但这有些牵强,因为在加尔加梅勒内发生的碰撞是中微子,要比之前在斯坦福直线加速器中心研究的电子能难理解。因此,此方法相当于是对部分子假设的推广,并使计算出的背景减少量达到大约为荷电流事件的2%。其次,在丙烷中,慢速μ介子比在氟利昂中更容易识别。并且在丙烷中拍摄到的照片显示慢速介子背景大约占到3%。

该子组采用了另外两种方法去除慢速μ介子背景。一种相对原始的技术是废弃所有短程的负极轨迹,构成该轨迹的粒子无法作为已知粒子被识别。更微妙的是,可以使用一套结合计算与测量的方案来为隐藏μ介子污染物的数量设定上限。丙烷在加尔加梅勒中流动的过程中所拍摄到的图片显示出μ介子频谱以及核质子从液体中捕捉低能μ介子的比率。理论给出了μ介子捕捉衰变粒子的比率,因此衰变粒子的数目能够立即被计算出来。因为慢速μ介子的总数等于捕捉到的数目加上衰变粒子的数目,所以备忘录的作者们知道在给定能量下存在多少μ介子。这为中性流备选中的“隐藏μ介子”中微子事件设定了上限。最后,该子组为记录中性流备选建立了一套标准系统。在扫描仪检查事件后至少会有一名物理学家对事件进行检查,并且一点一点的,数据会被搜集到一起,以为计划于1972年9月召开的巴达维亚会议做准备。

在那次会议中,珀金斯从他的角度总结了整个小组的工作。要注意他对强子与电子中微子实验未来前景的评估,因为这反映出他纯粹依靠轻子而非强子数据的决心。

就温伯格的理论而言,最具决定性的以及明确的证据一定来自纯粹的轻子反应。因为强子过程涉及可能包含未知抑制效应的强相互作用的细节。

在这里我们可以看出应用于核子的进一步证明并没有让珀金斯感到满意。同样地,其他的实验,例如弗雷德·莱因斯(Fred Reines)对反应器中中微子的研究,对于珀金斯来说,

都会被严重的背景问题所困扰。即使是在未来得到改进的实验中能够探测到清晰的信号,为了推翻温伯格的理论,有必要证明观察到的信号比率在近似限制范围内符合V-A预测。很难相信精确度能够达到20%以上。[8]

通过对比,珀金斯指出中微子-电子的碰撞是“更有希望发生的,因为μ介子-中微子电子发散的事件中获得的信号将会是中性流特定的迹象”。这就是珀金斯认为加尔加梅勒团队应该全力紧密追踪的不在强子区的信号。他继续说道,“迄今为止,在欧洲核子中心的加尔加梅勒试验中,预计仅涉及轻子的中性流事件数在1到9之间,但目前没有一个被观察到。如果在剩余的实验中,还是没有观察到任何中性流事件,这会成为推翻温伯格理论相当决定性的证据”。

珀金斯理论以高举反对接受任何“表面是简单的图片,例如夸克模型”去解释质子与中子的内部结构的旗帜终结。凭借引用伏尔泰的言论,他以一段文采飞扬的文字结束了他的演讲,这段文字的目的很明显是要约束他的同事,不要过于认真地看待物质的内部结果:

那些为宇宙秘密建设建造系统的哲学家们,就好像去过君士坦丁堡的游客在讨论苏丹的宫殿!他们只看到了外面,却声称知道谁是苏丹的宠妃。[9]

并不是协作团队中的每个人都同意珀金斯的警示。很可能是协作团队内该部门的一部分,许多成员能够生动地回忆起的内容并不是基于是否应该研究中性流,[10]而是所处的过程。的确,在1972年秋季,每个子组都在进行各自的数据分析,并完成冗长、通常令人沮丧的任务,其中有数以百计需要比较的事件、大量需要修改的定义以及需要调整的标准。到1973年1月,缪塞及其他成员已经搜集了足够的数据来在美国物理学会于纽约召开的会议上展示他们的发现。

缪塞演讲的重点几乎完全是关于中子背景问题。他的数据是以荷电流事件的数目、中性流事件的数目以及关联事件的数目这种形式呈现,针对在气泡室中的纵向与横向位置绘制分布情况。像许多早先讨论的内部研究一样,缪塞的目标是证明事件在整个设备的容积范围内发生得相对均匀,像中微子事件而不像中子诱发的事件。这不是最可靠的检查,但在当时,很少会有关联事件去研究。部分原因是研究小组提高了强子最低能量要求以便排除中子诱发的事件并在过程中发现大量不合格的数据。默认的空间分布,承担着主要论据的重担(见图4.24)。[11]

图4.24 早期加尔加梅勒数据:中微子的证据?缪塞在1973年1月美国物理学会于纽约召开的会议上用幻灯片展现了这些初始的加尔加梅勒数据。每张图均描述了3种类似中微子事件之一的空间分布。尽管缪塞没有做出任何发现声明,但这些图标的目标很明确是要说服听众中性流备选的表现(NC)就像真正的中微子事件。中性流备选均匀地分布在空间中,就像他们会在真正的中微子相互作用中那样。#CC代表荷电流事件(存在μ介子)的数目;#NC代表中性流事件(无μ介子)的数目;#AS代表关联事件(见图4.22所给出的定义)的数目。来源:MP.

在缪塞发表言论的时候,该研究小组相信他们的论证已经发展到能够在协作团队外从正面角度去讨论影响,但他们不能确定所得数据是否高于中性流与荷电流事件比率的上限。[12]在演讲结束后,伊曼纽尔·帕斯克斯叫缪塞与他一起讨论新的研究成果。

仅仅在几周之前,帕斯克斯和沃尔芬斯泰因已经根据温伯格模型,针对普利亚、缪塞、拉加里格以及强子研究小组正在研究的信号公布了理论限制。[13]这两位理论家因此掌握了缪塞自1971年11月首次见到朱米诺后便一直想从理论家身上获得的成果。例如罗伯特·奥本海默的簇射模型,通过架设部分子的存在,中微子的计算将高阶理论与实验者能够使用的数量联系起来。

帕斯克斯自己的陈述明确地将中微子实验解读成为中微子与夸克的相互作用。不像珀金斯那样,帕斯克斯会反复思考隐秘位置的奥秘。关于部分子没有任何单一证据会具备说服力,但

将它们组合在一起就好像是拼好了一副拼图,并且可能在能量大10亿倍的条件下出现汤姆森所描述的质子。释义所引证的汤姆森的内容,“这些实验与理论思想开拓了新的研究领域,这是我们信心满满所希望出现的,会对两个基本问题提出很多见解:强子的结构与弱相互作用的性质是怎样的”?[14]

帕斯克斯和沃尔芬斯泰因估算中性流事件在荷电流事件中发生的概率超过18%。这样的比率,恰好位于先前的上限值,对于加尔加梅勒团队来说,已经大到足够掌控。如果这两位理论家是对的,加尔加梅勒正面临一个几乎令人难以置信的巨大效应:与先前的K介子限制相比,中性流的出现频率高100万倍。


注释

[1] Lagarrigue to Jentschke,12 April 1972,LSP.

[2] Cundy and Baltay,“Leptonic Neutral Currents,”CERN-TCL,11 July 1972.

[3] Perkins,“Neutral Currents,”TM[April 1972?].

[4] 珀金斯致巴尔戴,在加尔加梅勒合订本中作为副本,1972年4月28日,D.C.坎迪的个人论文。

[5] Pullia,“Search for Neutral Currents,”Balatonfured(1972),229.

[6] Baltay,Camerini,Fry,Musset,Osculati,and Pullia,“Proposal for a Meeting in Paris,”CERN-TCL,14 July 1972.

[7] Baltay,Camerini,Fry,Musset,Osculati,and Pullia,“NC Work Milano and CERN,”CERN-TCL,14 July 1972.

[8] Perkins,“Neutrino Interactions,”Batavia(1972),208.提及的反应堆实验报告参见Gurr,Reines,and Sobel,“Search,”Phys.Rev.Lett.28(1972):1406-1409.

[9] Perkins,“Neutrino Interactions,”Batavia(1972),226.

[10] Musset,interview,26 November 1980;Vialle,interview,28 November 1980;Cundy,interview,27 November 1980.

[11] Musset,American Physical Society transparencies,January 1973,MP.

[12] Musset,interview,26 November 1980.

[13] Paschos and Wolfenstein,“Tests for Neutral Currents,”Phys.Rev.D 7(1973):91-95.

[14] Paschos,“Interpretations,”NAL-Conf-73/27-THY(1973).