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集體的智慧:無中性流

從理論的角度來說,弱相互作用的研究始於恩裡科·費米的衰變理論。在他的這一理論中,他隱藏了中子分裂為質子、電子以及反中微子的過程。[1]他對基於弱相互作用而產生的動態過程的廢除,既是一種祝福,也是一種詛咒。在這方面,類似行為所帶來的臨時的發展在歷史中有諸多先例。早在100年前,安培已經通過研究電流的直接相互作用闡明了許多電動力學原理。雖然從後來的角度看,安培的理論並沒有像麥克斯韋的電動力學理論那樣起到基本原理的作用,但在介導相互作用的領域中,早先的理論還是有很大的啟發價值。面對大範圍未曾探索的弱相互作用領域,費米也獲得了一個有幫助的啟發性理論,部分上是通過明確利用關於量子電動力流已知的信息。

在經典的洛倫茲電動力學理論中,由微粒電子構成的電流受到持續的電磁場干擾;對於量子電動力學來說,電子與電動力學理論都有粒子與磁場的屬性。特別是,在量子電動力學中,電流響應電磁場的事實體現在一份聲明中,該聲明指出電子能夠放出或吸收電磁場的粒子成分——光子。因此電動電流中電子吸收或放出光子的過程可以通過圖表形式表示(見圖4.10)。同樣地,費米指出電流也需考慮衰變的情況。1個巨大的中子被認為是放出1個相對於中子來說較輕的電子以及1個無質量的中微子,而非放出1個無質量的光子(見圖4.11)。電動力學與弱電的顯著區別是:在放射過程中,電子在保存電荷的時候,中子沒有,而是變成1個質子。

圖4.10 電磁流。這僅是1顆電子形成電流的普通路徑。這裡電子已經放射出1顆光子。嚴格來說,可以稱此為「中性電磁流」,因為該電子並沒有改變電荷。

圖4.11 帶點弱電流實例:衰變。通過與電磁流的類比,可認為重核子(按中子或質子的定義)構成了放射反中微子與電子的電流。因為核子改變電荷——從中子到質子——這一過程被稱為「荷電流」。

後來,沒有重離子電荷改變的電流被稱為「中性流」,而那些有此變化的被稱為「荷電流」。在討論定義的時候,另外一條術語會很有用:輕子指的是那些不受強作用力影響的粒子,例如電子、中微子以及μ介子,輕子中性流是一條位於輕子間的中性流;強子是強相互作用力的粒子,強子中性流可相對自由地表示任何涉及強子的中性流,即使是同時包含強子和輕子的情況。嚴格上來講,這種情況下應稱之為「半輕子」。

在費米發表關於衰變的論文30多年後,假定所有的弱電流——強子與輕子——為荷電流已經成為不言自明的真理。事實上,每篇關於弱相互作用的文章都會以此假定開篇。「這是舉世矚目的事實,」一位作者1964這樣寫道,「不存在任何已知的例外情況,弱電流中的兩個輕子始終是由一個帶電粒子和一個中性粒子構成,這意味著中性流並不存在。」[2]在1932年到1964年之間,大量的實驗數據表明衰變僅僅是能夠使用經過修訂的費米理論來解釋的眾多程序之一。就像費米所建議的那樣,物理學家修改了他早期的理論但保留了指導形式,並最終形成了充分的唯象理論。[3]特別顯著的是如圖4.12所示,關於中性流衰變過程極低的實驗限制。所要表達的內容似乎很明確:無中性流。進一步的證據來自於顯示中性流形成過程的實驗,如圖4.13所示,中微子發散而沒有轉化為帶電粒子。如圖4.14所示,中性流形成過程僅佔類似荷電流形成過程中很小的一部分。

圖4.12 無中性流論證。在20世紀60年代,物理學家就中性流像這樣的衰變()設定了極低的實驗限制。在衰變過程中,帶有非零的奇異量子數字的粒子(K介子)衰變為正常的物質(介子與中微子)。當時,沒有任何有說服力的理由去認為此類中性流從根本上與沒有任何奇異性改變的中性流不同。可以理解地,大多數物理學家得出結論:中性流事件僅僅是沒有按照荷電流事件的數量級發生。

圖4.13 中性流中微子發散。中微子中性流要比K介子的衰變更難研究。然而,有些實驗者卻探索出中微子從質子中發散出來的可能性。

圖4.14 荷電流中微子發散。這些「普通」事件要比圖4.13中所示的程序容易研究。在荷電流中,中微子轉變為容易探測的μ介子,中子轉變為1顆質子。如在第3章中所見,μ介子很容易穿透物體,留下明顯的運行軌跡。

吉爾伯托·貝爾納迪尼在1964年為恩裡科·費米暑期學校所做的開幕詞中提到了類似的結果,主張:「如果中性輕子流確實存在,它們與強子流成對出現,要比荷電流中的輕子流弱好幾個量級。」[4]一本廣泛使用的教科書收錄了一篇由羅伯特·馬沙克(Robert E.Marshak)、利祖汀(Riazuddin)以及夏蘭·瑞恩(Ciaran P.Ryan)發表的題目為《中性輕子流的缺失》(Absence of Neutral Lepton Currents)的文章。在這篇文章中,他們總結道與上述提到內容相似的結果,支持了無中性輕子(或至少是中微子)流這一觀點。[5]直到1973年,尤金·康明斯(Eugene Commins)提到了「無中性流」這一理論選擇規則,但理論家列弗·奧肯(Lev Okun)認為,此規則是基於符合實驗的結果而非任何一般原則。[6]

此情況一直持續到20世紀60年代末。偶然地出現了一種新型的關於中性流形成過程更高的限制,為中性流的靈柩再次重重釘入一個釘子。實驗建議研究發散過程中的中性流不時地被提出,以測試荷電流理論的高階修正為目的,但以實驗的角度,中性流似乎在第一級測試中即被排除在外。雖然理論家會不時地提出中性流模型,但並沒有迫切的需求去證明它們的存在。當然在20世紀60年代中,在中性流模型中,沒有任何一個模型能夠脫穎而出迅速引起大家的注意。[7]

以費米為首的一批物理學家,已經能夠通過假定所有的實際相互作用在一個時空點發生(見圖4.11至圖4.14)來建立成功的弱相互作用啟髮式理論。然而,到了20世紀60年代末期,此「點交互作用」的優點逐漸變成了大忌。再一次地,量子電動力學脫穎而出,成為一切皆可能會有所不同的例證。最重要的是,與量子電動力學不同,費米理論是不可重正化的。此術語還需要一些解釋。


註釋

[1] Fermi,「Strahlen,」Z.Phys.88(1934):161-171.

[2] Feinberg,「Weak Interactions,」Brandeis(1964),282.

[3] 參見the introduction to and papers reprinted in Kabir,Weak Interaction Theory(1963).

[4] Bernardini,「Interactions,」School「Enrico Fermi」(1966),1.

[5] Marshak,Riazuddin,and Ryan,Weak Interactions(1969),319.

[6] Commins,Weak Interactions(1973),239;Okun,Weak Interactions(1965),17-18.

[7] 例證請參見Lee and Yang\'s paper.「Intermediate Boson Basis.」Phys.Rev.119(1960):1410-1419.其中包括了中性矢量玻色子.Glashow的SU(2)x U(1)體系首次發表參見「Partial Symmetries,」Nucl.Phys.22(1961):579-588.雖然並未實現,明確的質量W使得格拉肖的原理論不可重整。