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《实验是如何终结的?》短路与高深理论

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一切都对原始中性流的存在产生不利的影响:机械设备的指示、已经接受的实验结果,以及没有任何令人信服的理由去相信存在这样的现象。随着1970年冬季和春季施工建设的全面展开,实验按计划继续向前推进。当年夏天,克莱因、曼恩,以及鲁比亚发表一篇描述另一个渠道的文章,通过该渠道,他们可以使用他们的装置发现正在衰变的W粒子。[1]再一次的,弱相互作用需要W粒子来获得在高能量条件下存在意义的机会,但这项研究没有与任何特定理论相关。事实上,三位哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚的带头人于1970年所讨论的这项研究甚至不符合W粒所属的SU(2)×U(1)理论,因为后者的W粒子重量超过800亿电子伏特,而且中微子实验无法研究高于100亿电子伏特的事件。在1972年前,协作者没有在印刷出版物中提及过格拉肖-温伯格-萨拉姆模型的任何方面。

竞争不限定于国际领域,也不是指实验室间的争斗。就集中化进行而论,加速器实验室必须做出决定由谁在什么时间开展实验。就像欧洲核子中心必须在不同探测器研究组的需求中做出裁定,国家加速器实验室也是如此。在1970年8月,曼恩写信给威尔逊让他召集一次会议,在会议中,可就每个拟进行的中微子实验陈述实验概要。曼恩总结道:“假设即使是在充满喧嚣与愤怒的时期,此次讨论也会有重要的教育性内容并无不妥。”[2]威尔逊同意他的建议并且认为竞争会愈发激烈。备忘录被反复传递,并且实验室负责人要求实验人员要强调他们方案中的不同之处,因为很明显,可选择范围已经缩小到E21(巴里·巴里什以及他的团队)与E1A。[3]

在1970年10月3日,康纳德·里德(Donald Reeder)、吉姆·皮尔彻(Jim Pilcher)、曼恩,以及鲁比亚聚集在布鲁克海文以对加州理工学院的要求作出回应,并准备反击。加利福尼亚人是如何计算信噪比的?他们是怎样处理强子级联的?关于中微子束所设计的实验是够切合实际?正在为陈述准备弹药的哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚协作者们煞有介事地问自己:“我们要用幻灯片展示实验数值的比较吗?不。我们准备了幻灯片,但除非是强制性要求否则不会使用。”更加巧妙的是,他们进而确定了所采取的合适口吻:“陈述内容应强调仪器与事实——远离论据与讨论——利用时间提出事实与想法——不要有存在争议性与煽动性的内容。”他们总结道,“让我们用数据说话——让观众得出顺理成章的结论”。[4]

当威尔逊在1970年10月27日以文字形式批准了E1A时,他强调了E1A与加州理工学院的实验可以研究的重要物理学问题,没有(并不出人意料)提到中性流。他同时催促克莱因将更多国家加速器实验室的陈述材料带入实验中并明确他对此实验领域的计划。[5]在这一点上,11月初在哈佛召开的另一个E1A中微子会议充分证明:“戴夫通过展示中微子束以及区域的布局开始……加州理工学院人员会研究μ介子装置旁边的接地屏蔽的孔隙,我们拥有自己的中微子研究区域。”[6]

鲁比亚继续概述巨大热量计的计划:费用、规格以及电子设备。曼恩检查了每个研究组所预计的工作量:哈佛负责热量计;宾夕法尼亚负责室;威斯康辛负责磁体与中微子束。整合这样大量的努力投入需要管理技术以及对物理学知识的掌握。主要的协作者必须要挑选他们在国家加速器实验室的同事,安排从各机构获取资金支持,并且向原子能委员会申请重新分配实验经费。[7]

实验人员设定基本计划不久后,现场建设施工开始。探测器所需元件开始从各个参与实验的实验室运抵巴达维亚。在宾夕法尼亚大学的物理学家与技术人员建造、测试,并将一些前期的火花室运抵国家加速器实验室;哈佛的研究组组装热量计;威斯康辛的研究人员负责组装大型磁体。[8]在工地现场需要组装、测试,并调试产自各个实验室以及工厂的零件。

甚至分别运行的零件可能无法组装到仪器。出现磁体短路、塑料闪烁体损坏、光电管失灵等问题都必须修理或更换。自然因素也不是一直都配合。令实验人员烦恼不已的是,鸟类会在火花室上排放粪便,并且老鼠会啃食输气管线作为它们“最后的晚餐”。曼恩雇用了一名来自宾夕法尼亚大学的研究生——弗雷德·梅辛(Fred Messing),以及一名博士后学生——理查德·伊姆利(Richard Imlay),加入这个项目的工作。劳伦斯·苏拉克(Lawrence Sulak),一名哈佛大学的助理教授,由鲁比亚带入此协作团队,偶尔会出现负责监控热量计的进展;阿尔贝托·本韦努蒂(Alberto Benvenuti)被派驻在威斯康辛大学,但却频繁来到初期的实验室;并且曼恩时刻关注着装置的建造(见图4.35)。甚至这些早期的测试都与我们对于实验是如何结束所作出的解释有关,因为通过这些连续的测试,协作团队开始得到了信心:元件开始运行并且开始了解它们的特质——敏感度的范围以及失效的频率。通常地,一项测试会涉及亲身在已经建立好的探测器旁边放置一个新的探测器,两者会受到同样的刺激,然后比较它们的探测结果(见图4.36)。在日益增加的探测器周围,工程师、科学家以及施工人员将伊利诺伊州的农田变成了国家加速器实验室(见图4.37)。

图4.35 正在建设中的E1A。国家加速器实验室,巴达维亚,伊利诺伊州。1971年7月20日。只有房屋框架与磁体工件就位。来源:NAL 71-579-1。

图4.36 测试双间隙火花室。这张宝丽来照片是从一次完成典型的仪器测试中得出的一部分证据。曼恩与宾夕法尼亚研究组已经组装好了新的火花室,只有在被宇宙射线穿过时才会点火。通过比较不同火花室之间的相互反应,以及与已经检验过的计数器的比较,为此新的仪器颁发合格证书。来源:AMP.

图4.37 在建中的国家加速器实验室,巴达维亚,伊利诺伊州,1971年7月29日。当哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室协作团队组装E1A时,国家加速器实验室正处于建设中,如此图所示。可以看到E1A位于最显著的位置;光束线与左上角的大圆圈相切。来源:NAL T71-259。

正当实验者深陷于具体的材料细节中时,理论家已经转向规范理论最为细微的环节:它们的可重正化性。赫拉德·特霍夫特的格拉肖-温伯格-萨拉姆理论的重正化证明重新开启了对统一规范理论的兴趣,并且再一次地,哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室(国家加速器实验室正处于建设中)与加尔加梅勒协作团队齐头并进。然而在瑞士,朱米诺、普兰吉以及盖拉德已经与实验人员讨论新理论的影响。在特霍夫特的证明发布后,温伯格开始计算一些他所提出的理论的实验结果,那是之前看似不值得进行的计算。用温伯格的话来说:

现在我们有弱相互作用于电磁相互作用全面的量子场理论,从物理学与数学角度与量子电动力学在同样的意义上符合大家的要求,是以同一立场看待光子与中间(矢量)玻色子的理论,基于一个精密的对称性原理,使能够进行任何需要的精确度的计算。为了测试这个理论,解决中性流存在性这一问题变得十分紧迫。[9]

温伯格发布了给出中性流类型事件的预期数量的计算结果。此外,他从麻省理工给身在哈佛的鲁比亚打电话,告知对于哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室研究组来说研究如今激动人心的无μ介子事件是多么的重要。鲁比亚回忆道:

斯蒂夫·温伯格有着罕见的毅力,一直敦促我及许多其他人员进行中性流的研究。我直接从他那里学到了所有这些关于规范理论以及中性流的知识。我仍记得当我在牛津大街44号因古老的回旋加速器而感到沮丧时,他给我打了一个电话。起初我想,上帝啊,他想让我思考什么?然后我意识到那是多么美妙的一件事。[10]

E1A很快地决定要进行此项研究。这是该实验团队第二次改变实验目标,第一次是从W粒子研究变为部分子测试,现在这是变为中性流调查。新的方向与一些他们早期的兴趣交织在一起并且看似可以在没有广泛修改装置的条件下进行。这也给予他们额外的筹码,有助于他们说服国家加速器实验室的计划委员会选择E1A作为第一项实验。正如他们快速地向院长罗伯特·威尔逊说明的:“最近,对于中性弱电流与中性弱中间(矢量)玻色子更为敏感的研究的需求意识不断提高。中性弱电流的存在会对弱相互作用与电磁相互作用间的联系做出额外的阐释。”要注意的是,论据首次转向能量的规模以及可利用的力,目的是使可以发现的力的中间的一些统一的特点貌似可信。作者们继续写道:

随着可以用于实验的质心能量S1/2的增加,以及GS(G的产物——恒定不变弱相互作用特性,以及S——质心能量的面积)在量级上逐渐向α靠近(恒定不变的电磁相互作用特性),发现这样的联系的可能性变得愈发现实。我们现在可能与奥斯特、安培以及法拉第等人在150年前所处的位置类似,就像他们试图得出电与磁之间的联系那样。

在那时,实验人员只是会一带而过地提到重正化这一理论家主要感兴趣的理论特色。

我们与其他人一起,已经观察到针对最近一个可重正化的敏感型测试弱相互作用理论,可能会通过比较观察到的强子中性流与荷电流的比率来进行。不同的模型会导致在中性流与荷电流比例的预期值出现偏差,但≤0.01的数值会很难适合该理论。[11]

触发电子装置必须立刻重新设计以便探测器能够在强子能量高于热量计所设定的某一最小值或μ介子进入μ介子分光仪时启动。鲁比亚后来评论道,他赞成将触发器应用到实验中去,“并不是我事先决定的,而是因为斯蒂夫·温伯格给了我一个很好的理由去支持它”。[12]触发器的实际建设是拉里·苏拉克在此项目上独立承担的第一个任务。除了组装电子装置这一眼下的问题以外,苏拉克将全部精力都投入到中性流的研究上。[13]


注释

[1] Cline,Mann,and Rubbia,“Weak Intermediate Boson,”Phys.Rev.Lett.25(1970):1309-1312.

[2] Mann to Wilson,14 August 1970.Related documents:Wilson to Mann.25 August 1970;Wilson to Barish,9 September 1970.All in Program Committee files on EIA.director/'s office.FNAL.

[3] R.R.Wilson to Cline,27 October 1970.Program Committee files on E1A,director/'s office,FNAL.

[4] Reeder et al.,“Minutes,”3 October 1970,Reeder,personal papers.

[5] Wilson to Cline,27 October 1970,AMP.

[6] Cline et al.,“Minutes,”7 November 1970,Reeder,personal papers.

[7] Cline et al.,“Minutes,”7 November 1970,Reeder,personal papers.

[8] Projected completion dates,costs,and suppliers are given in[Pilcher and Rubbia],“Time Schedule,”HUEP-18,ca.July 1971.

[9] Weinberg,“Unified Theory,”Rev.Mod.Phys.52(1980):518.

[10] Rubbia,interview,3 October 1980.

[11] Benvenuti et al.to R.R.Wilson,14 March 1972,AMP.

[12] Rubbia,interview,3 October 1980.

[13] Sulak,interview,8 September 1980.