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提出質疑的充分理由

讓我們以一個定義開始。「奇異性」是一種歸於像電荷這樣的物質以及角動量的一種特性。電荷在粒子相互作用中保持守恆:如果即將發生碰撞的電荷總數為0(包括目標粒子),那麼射出的粒子中的電荷總數也為0。為了記錄許多在第二次世界大戰後發現的新粒子,奇異性成為一種有用的記錄設備。可以賦予每顆粒子一個「奇異數」,這樣在電磁與強相互作用中,總奇異數會守恆。例如,質子與反質子均不含奇異數。當質子撞擊反質子時會產生強烈的相互作用,並且如果在撞擊中產生任何新的粒子,它們的總奇異數仍是0。然而,在弱相互作用中,奇異數並不總是守恆的。這給實驗高能物理學家提供了一個不可錯過的好機會。

你們應該還記得,中性流不涉及碰撞粒子間的電荷交換。這意味著如果碰撞粒子為帶電粒子,他們也能夠發生電磁相互作用。兩顆從彼此中發散出來的電子也能夠通過光子的交換實現電磁相互作用;或者是,如果中性流存在,可以通過弱相互作用實現。因為電磁力要遠強於弱力,對弱中性流的探求會徹底終結(見圖4.20)。實驗者愉快地認為該性質為奇異性變化的弱相互作用提供了可能性;因為電磁力與強作用力均保持奇異性守恆,所以奇異性變化的中性流為弱相互作用的個人秀提供了一次完美的機會(見圖4.12)。

奇異性變化過程的一個例子:

K+→(正極介子)+(中微子)+(反中微子) (4.2)

圖4.20 電磁背景。在兩個相互作用的粒子帶電並且無奇異性改變的事件中,電磁相互作用與弱相互作用同時發生。20世紀60年代以及20世紀70年代初期可獲得的加速器能量條件下,大的電磁效應淹沒了相比之下小得多的弱相互作用。例如,弱正電子發散(左上)被電磁發散(右上)所壓倒。E1A與加爾加梅勒通過使用中微子避免了這個問題,因為它們是中性的,不能夠與光子發生相互作用。因此,左下說明的過程無電磁競爭對手。

K+是一種奇異粒子但介子與中微子不是,因此電磁與強作用力均不會涉及在內。因為單獨正電荷K介子轉化成一個單獨帶電的正介子,此過程涉及到中性流。實驗者認為,這一定會是一次成功的確定中性流存在的測試。

直到1969年,烏戈·卡梅裡尼(Ugo Camerini)等人已經表明(4.2)這樣的過程被很好地抑制了:此K介子的衰變率低於相同K介子其他方式衰變率的5×10-5倍。[1]其他實驗小組對奇異性改變的中性流給予了許多類似的較低限制。因為在那時沒有任何理由去相信在奇異性改變的與奇異性守恆的中性流間會存在任何相關的差別。人們得到的合理的結論是中性流根本不存在。

該情況與洛克(Locke)在他的《人類悟性論》(Essay concerning Human Understanding)中描述的相似。看似在一次與德國大使愉快的訪問後,暹羅國王詢問起低地國家人民的生活習慣。作為這樣一個偉大的航海國家的國王,暹羅的領導無疑認為自己熟悉水的各種形態。可以想像當他聽到說在德國境內的水有時會變得「無比堅硬,人可以在上面行走,甚至能夠承受一頭大象時所表現出的疑惑。對此這個國王回答道:『迄今為止,我相信你告訴我的所有的奇聞異事,因為我認為您是一位清醒公正的人,但現在我確定你在說謊』」(洛克的重點)。[2]物理學家經過反覆地測量百萬倍抑製程度的奇異性改變的中性流,對在奇異性守恆的情況下不存在任何抑制的期待不會高於暹羅國王對大象能在冰上行走的期待。沒有任何合適的理由去相信該差別會造成這麼大的不同。

至少在當時看是這樣的。物理界內關注點邊緣外的是幾年後會成功在兩種中性流間區分開來的一項建議。在1970年,謝爾登·格拉肖、約翰·伊利奧普洛斯(J.Iliopoulos),以及盧西亞諾·瑪亞尼(L.Maiani)(統稱為GIM)在古老的V-A理論框架內假定了一種引起第四個夸克的機制。舉例說明,他們希望解釋兩種K介子質量的微小差別以及奇異性可變的中性流的抑制。[3]僅在幾年後,該GIM機制與溫伯格-薩拉姆模型相關聯,認可奇異性守恆的中性流但抑制那些奇異性改變的。考慮到即使是格拉肖直到1972年才將該機制聯繫到規範理論中,所以這並不令人感到十分驚訝。[4]

因此,三種不同的基礎理論結果在E1A和加爾加梅勒設立車間時處於討論之中。部分子模型是新的;它向中微子以及更高能量的延伸仍不清楚。規範理論本身尚未被完全接受,並且溫伯格-薩拉姆理論特別地加入第四代夸克看似很遙遠。必須要記住在1967年溫伯格最初的理論中,規範理論僅針對電子、中微子以及μ介子,夸克沒有任何作用。因此,要嚴格地將奇異性可變的電流從奇異性守恆的電流中分隔出來,需要承認所有這些元素:部分子、第四代夸克以及SU(2)×U(1)規範理論。只能完成這樣分離後,關於奇異性可變的中性流的結論才是確定的。

其他優先項目以及奇異性改變的結論已經足以說服大多數實驗者淡然地忽略中性流。如果仍有疑問,其他的實驗結果會給出無懈可擊的解釋。另外兩個實驗似乎排除了奇異性守恆的中性流。李元龍(Wonyong Lee)通過實驗檢測了μ介子中微子從質子中的發散;理論家本傑明·李(Benjamin W.Lee)很快地分析了實驗結果並聲稱該結果「排除了溫伯格弱相互作用所預測的中性流存在的可能」。[5]到繆塞開始研究這些論文時,李元龍與本傑明·李的結論已經開始飽受質疑,因為他們都沒有充分研究質子內部的過程。例如,唐納德·珀金斯據此在李的論文發表後提出了對其理論的批判,並且,本傑明·李承認奇異性守恆中性流不能被絕對地排除。[6]

歐洲核子中心本身似乎已經排除了中性流的存在。在1963年,加爾加梅勒在拉加裡格眼裡還只是靈光一閃之前,古老的歐洲核子中心重液氣泡室協作團隊將注意力轉向了中性流。在參與者中有幾位研究中微子的物理學家,他們後來成為了加爾加梅勒實驗中的高級合作者:傑拉爾德·米亞特(Gerald Myatt)、唐納德·坎迪(Donald Cundy)以及珀金斯。在1963到1964年間,此歐洲核子中心研究小組開始對奇異性守恆的中性流施加極端嚴苛的限制,將中性流限制在3%的範圍,遠低於格拉肖-溫伯格-薩拉姆的水平。[7]類似這樣的結果阻礙了很多關於中性流以與荷電流相應的一定比率存在的推測。(在1970年,有些參與者重新分析了所得的數據並實現嚴格程度略低的限制,得到與後來的發現相符合的結果。)[8]其他實驗者也排除了看似表明中性流可能存在的結果。赫爾穆特·費斯奈爾(Helmut Faissner)也是加爾加梅勒協作團隊的一員,記錄了在他職業生涯的早期也曾看到類似後來被解讀為中性流的照片,但並沒有感受到他們的意義:「我們不能將此歸咎於不合格的儀器。我們不相信眼睛所看到的是不幸的思維阻隔、理論偏見以及實驗惡作劇的陰謀。」[9]因此,實驗界有多種理由堅持在與荷電流同量的層面上不存在中性流。


註釋

[1] 參見Camerini et al.,「Search,」Phys.Rev.Lett.13(1964):318-321.

[2] Locke,Human Understanding(1959),vol.2,p.367.

[3] Glashow,Iliopoulos,and Maiani,「Weak Interactions,」Phys.Rev.D 2(1970):1285-1292.

[4] Glashow,「Unified Theory,」Rev.Mod.Phys.52(1980):539-543.

[5] W.Lee,「Limit on Neutral Currents,」Phys.Lett.B 40(1972):423-25.B.W.Lee,「Weinberg\'s Model,」Phys.Lett.B 40(1972):422.

[6] Perkins,「Neutrino Interactions,」Batavia(1972),189-247.B.W.Lee,「Weak Interactions,」Batavia(1972),249-305.

[7] 珀金斯當前研究參見Bingham et al..「Preliminary Results,」Sienna(1963),555-584.在附加的結論寫道,「因此『彈性事件』的中性電流小於約3%,很明顯,帶電的平衡標定不容許中性輕子流.」參見J.S.Bell.J.Lovseth,and M.Veltman,「CERN Conclusions,」Sienna(1963),586.同樣的中性電流的上限值參見M.M.Block et al.「Neutrino Interactions,」Phys.Lett,12(1964):281-285,其結果參見Dubna by D.C.Cundy,「Progress Report,」Dubna(1964),7-15.

[8] Cundy et al.,「Upper Limits,」Phys.Lett.B 31(1970):478-480.

[9] Faissner,「Neutral Currents,」Lepton-Hadron Physics(1979),374.