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背景與信號

在圖4.21中,展示了在按推定引起氣泡室效應的弱相互作用過程中每個重要氣泡室的圖示。強子中性流過程(圖4.21b)中存在的問題是該過程可能是偽造的。接下來是如何斷定的:電子束中的中微子不可避免地造成不計其數的中子從周圍的磁體、地面以及結構中進入室內。如果這些次級中子中有1個在室內撞擊1個中子或質子,產生的強子簇(見圖4.23)可能會看上去很像真正的中微子中性流事件。在這兩種情況中,均可在膠片中看到沒有新μ介子出現的強子簇。

圖4.21 費曼圖以及氣泡室圖像。此圖說明了運行軌跡間的對應關係。可以在室中以及過程背後的理論表述中看到運行軌跡。(a)輕子中性流。1個μ介子-中微子放射出1個Z0並散射出1個電子,在氣泡室膠片中能夠看到其反衝過程。因為是中性的,所以中位沒有留下任何痕跡。(b)強子中性流。1個μ介子-中微子放射出1個Z0,將質子或中子分離成許多強子。(c)荷電流事件。1個μ介子-中微子放射出1個W+,由此,W+轉化成1個陰性μ介子。當W+被質子或中子吸收,後者會分解為強子。

總之,加爾加梅勒小組面對的任務是,通過證明或反駁在中子背景引起的類似中性流事件以外還存在更多的類似中性流事件來確定中性流是否存在。就像旋磁實驗者每次都以不同的方式解決遇到的背景問題那樣,中微子物理學家也獲得了各式各樣解決問題的方法。其中一種方法是研究「中性流備選」的空間分佈,定義為圖4.21b右側所示的任意強子的爆發。真正的中微子幾乎不與物質發生相互作用。如果發生了相互作用,在室內任何地方發生的可能性或多或少是相同的。另一方面,中子通過強作用力與物質發生相互作用,並且更有可能在室的進入點附近造成假的中性流事件。因此,在室的正面或側面附近中性流備選的峰值會表明中子在活動中;均勻的分佈與中性流假設相符。

採用中性流備選的空間分佈作為測試中子背景的方法是受到加爾加梅勒要比任何早先的氣泡都大這一事實的影響。加爾加梅勒獨自提供了描繪背景的機會,因為當時眾所周知在發生相互作用前,中子通常能夠移動的距離要長於1963年古老的室。這意味著在古老的實驗中沒有辦法像從室壁看的更遠那樣看到中子誘發的事件的指數減少。因此,不可能指出中子事件會存在什麼樣的問題。[1]因此,當在早先的試驗中分析可能是中性流備選的事件時,氣泡室物理學家非常合理地將所有的無μ介子事件歸於中子背景中。

加爾加梅勒室很大,它的尺寸使其使用者能夠研究室壁與防護層一定區域的液體。此外,物理學家不僅能看到指數式衰減,他們也能夠通過檢測所謂的關聯事件(見圖4.22)來追蹤中子整個運行軌跡。在上游領域,這些事件中含有普通的荷電流事件,在此事件中,除了μ介子,核子還會放出一個中子。該中子在室的可視範圍內形成了一個「虛假的」中性流事件。通過研究在中子造成此「虛假的」備選前,其運行線路的長度及角度,加爾加梅勒團隊能夠通過3台計算機的模擬程序來描述類似的事件,即使是最初看不見中子的地方(見圖4.23)。令人失望的是,相關的時間在實驗初期是很少的。

圖4.22 關聯事件。關聯事件的定義是發生在可視範圍內,釋放1個中子的荷電流事件。中子撞擊核子,在同一畫面產生不含μ介子的強子簇,能夠與中微子事件相關聯。通過研究這些事件,加爾加梅勒團隊能夠確定產生於荷電流相互作用的中子的能量與角度分佈。此信息可輸入計算機以模擬牆內中子釋放的過程。

圖4.23 中子誘發的「虛假的」中性流事件。在加爾加梅勒實驗中,主要的背景是由中子誘發的看上去像真正的中微子事件的無μ介子事件所引起。這些酷似圖4.22中所示的事件,除了無法看到中子的來源。在這裡顯示的原型背景事件中,荷電流事件發生在可視範圍之外,通常發生在厚重的混凝土防護層中。在未被觀察到的情況下,1個中子穿透進入室內,以某種方式分解核子,看上去像真正的中微子誘發的中性流事件。

加爾加梅勒協作團隊中,首批參與中性流分析的成員有繆塞(當時在歐洲核子中心)、來自米蘭的安東尼諾·普利亞(Antonino Pullia)和比安卡·奧蘇拉蒂(Bianca Osculati)、來自威斯康辛的烏戈·卡梅裡尼和威廉姆·弗萊(William Fry)、歐洲核子中心的迪特爾·海德特(Dieter Haidt),以及來自布魯克海文實驗室的羅伯特·帕爾默(Robert Palmer)。他們早期為解決中性流問題所做的嘗試很明顯缺少實證的支撐。然而,這些初步的分析有助於形成信仰與方法,這些在後來的實驗中逐漸成為有說服力的論據。

除其他內容外,討論中性流相關問題的首次重要會議在1972年3月2日至3日於巴黎召開。在那裡,加爾加梅勒協作組織各成員聚集在一起討論事件率、超子檢測方案(質量大於質子或中子的不穩定粒子)以及子組的建立,可能會包括一個從事中性流研究的子組。就在他們動身去參加會議之前,來自米蘭的團隊發現自己被趕出了辦公室,因為學生佔領了該研究機構。聚集在普利亞的家中,埃托雷·菲奧裡尼(Ettore Fiorini)、貝洛蒂(E.Bellotti)、布裡尼(M.Brini)以及普利亞共同為普利亞在會議中就中性流所要講述的內容出謀劃策。經過總結那些討論內容,普利亞發佈了一份謹慎的報告,提出了關於中性流研究的初步結論。他的結論是宇宙射線不是導致中性流備選的原因,因為存在太多的備選——平均每卷5個。憑借測量到的16個中微子卷,他發現中性流備選的縱向分佈與徑向分佈一樣都很均勻。普利亞推測,這「似乎是從磁體中荷電流中微子的相互作用中排除了次級相互作用」。[2]儘管這些初步的跡象違背了大多數可能的中性流模擬情況,但迄今為止,該團隊僅對現實的結果有著試探性的承諾,與1935年及1936年的「新穿透粒子」的情形類似。

帕爾默在巴黎會議以及與弗萊和卡梅裡尼的交談後,在1972年初開始研究此問題的解決方法;他的工作在協作團隊內部是飽受爭議的(後來也一直是這樣),因為他的工作是在出現標準測量技術之前開始進行的,因此他的分析僅僅是基於一些數據測量不充分的事件。通過設計,帕爾默的報告是「要激發更多的想法,而並非代表任何最終的結論」。[3]在一份帕爾默於1972年5月分享給有限的幾名合作者的影印手稿中,他試圖通過使用8台照相機的圖像將室劃分為4個縱向區域在加爾加梅勒內部建立粗略的事件佈局。到那時他便可以根據與室正面的距離繪製事件的位置。[4]作為一種初步測試假設事件是由於中微子而並非中子引起的方法,他將自己所繪製的結果與一項「束流收集實驗」所得的模擬數據進行比較,在「束流收集實驗」中,有許多中子直接進入了氣泡室,但幾乎沒有中微子。兩項結果顯示數目幾乎相同的中性流備選聚集在室正面附近。這表明類似中性流事件很可能只是中子通過防護層洩漏出來。

當帕爾默繪製更高能量相互作用下發生的事件時,他發現一項更加令人震驚的結果:「我們注意到該分部情況顯示出在下游端存在數目非常可觀的事件(無μ介子)。與在束流捕集器運行中看到以及外部中子事件所預期的有很大的不同。事實上,在去掉『不能確定的』的事件後,弗萊與卡梅裡尼得到一個略微偏小的樣本,完全符合均勻分佈這一特點。」[5]然而,仍然存在這種可能,事件並不是由直接進入的中子引起,而是由中微子在牆體以及室的防護層中產生的中子所引起的。如圖4.23所示,在防護層中發生的中微子事件是將中子送到室的可視範圍的普通荷電流事件。因此這些事件就像關聯事件一樣,除了在關聯事件中,在室的可視範圍內發生的「上一代」荷電流事件。

為判斷可能性,帕爾默粗略地估算出中微子在防護層材料以及磁體中相互作用的方式與在氟利昂中的一樣。進而他能夠憑借關聯事件的數量和分佈來發現從外部進入設備並產生中性流備選的中微子誘發的中子的數量與分佈。[6]當帕爾默從觀察到的中性流備選中提取出這些「虛假的」中性流事件時,仍有至少41~71個「真正的」中性流事件。[7]

還有最後一個支撐帕爾默信仰的因素。隨著荷電流事件中能量的增加,荷電流事件發射出的中子傾向於更頻繁的指向光束方向。光束沿著氣泡室更長的維度運行。於是,針對增加的事件能量,更多「虛假的」中性流事件在室的可視範圍內有了他們自己的荷電流「母體」。因此,如果所有的中性流備選都是由中微子誘發的中子形成的,分數AS/NC應隨著能量的增加而增大(為簡略起見,AS代表關聯事件備選數,NC代表中性流備選數,CC代表荷電流備選數)。通過對比,如果中性流備選中大部分是「真正的」中性流事件,預計該比率應隨著能量的增加而減少。這是因為:1中微子相互作用的數量隨著能量的增加而增加;2產生能夠形成「虛假的」中性流事件的中子的可能性在能量為10億電子伏特以上時迅速下降。沒有真正的計算機輔助測量,帕爾默只能通過實驗者的經驗法則來估算簇的能量。該經驗法則表明能量隨著離開頂點的帶電粒子軌跡數目的增加而增長。他推斷,軌跡越多,儲存的能量便大。(當可以採用更好的測量方法時,這樣一個與能量有關的多重性方程飽受猛烈的批評。)根據這一粗略的能量管理理論,帕爾默推斷AS/NC會隨著能量的增加而降低,符合存在中性流的結論。[8]

此類因素說服帕爾默相信存在真實的效應。需要強調的是,他的推理不足以動搖他的加爾加梅勒同事。帕爾默在假期結束時離開了歐洲核子中心前往美國,並在1973年春天返回造訪歐洲核子中心。那時,他的注意力已經轉向新式的更加嚴密的數據評估方法。通過使用電腦,加爾加梅勒團隊的其他成員已經執行關於軌跡位置以及能量的系統測量。在他對歐洲核子中心的訪問結束時,帕爾默向《物理評論快報》(Physics Letters)提交了一篇文章,在文章中他重新解讀了該協作團隊曾經公開提出過的中性流的上限,這使那些認為此舉為時過早的人感覺非常氣憤。帕爾默暗示這些結果不僅應被視為界限,也應作為中性流「符合簡單的溫伯格模型」的證據。[9]「這是秘密發表的嗎?」後來他問道。[10]自始至終,帕爾默籠統的爭辯都在引起摩擦。他認為他「私下」發表的文章遭到不正當地延期發表;而他的一些同事對帕爾默在他們做出充分的證明之前所做的宣傳而感到氣憤。

在帕爾默概述他的粗略估算的同時,繆塞、卡梅裡尼以及普利亞正致力於制訂一項有條不紊的程序來進行掃瞄、測量以及膠片的數據處理。除了缺少具體事件的支持(特別是缺少關聯事件),帕爾默的程序在很多方面都不堪一擊。沒有計算機重建技術的幫忙,廣角鏡頭嚴重扭曲了粒子運行軌跡並使得任何能量的估計都存在嚴重的問題。灰塵的影響在運行軌跡上增加了表觀電離效應,使得粒子識別以及後續的能量估計精確度更加糟糕。最後,沒有標準的事件分類程序,事件計數很不穩定。例如,沒有明確的定義來確定某個事件是否應被列入「中性事件」種類中去。

對於處在中性流研究萌芽階段的其他人來說(特別是卡梅裡尼、繆塞以及普利亞),有說服力的論據不僅僅是要提供更多的關聯事件,還要在平等的基礎上看待荷電事件與中性事件。就是說,他們為選擇中子相互作用的強子部分選擇標準,頂點的位置以及能量等確定μ介子是否以完全相同的方式存在。此外,因為當時的主要問題是中性流是否存在並且還沒有確定精確的比例,他們僅僅是完整地記錄了清晰的事件。最後,要減少任何遺留偏見所帶來的影響,並降低測量方法對中微子束強度計算結果的敏感度,該實驗小組選擇將注意力放在中性事件與荷電事件的比例上。因為荷電流與中性流的相互作用都會根據中微子能量成比例的增長。NC/CC比率不受能量影響。

我會花一些時間細緻地講清楚一些關於數據簡化的問題,因為在中性流發現中,就像在許多高能物理學實驗中一樣,類似的問題證明是人工製品中得出分隔信號的全部。這是一個典型的問題。在無μ介子的事件中,很大一部分能量被看不見的中微子帶走。大約相同分數的能量被荷電流事件中的μ介子佔據。於是,如果天真地將總可視能量視為軌跡所印證的,那麼可以通過將強子能量與μ介子能量相加來測量荷電流事件的能量,但對於中性流事件能量的測量則僅通過強子的能量。實際上,這意味著正在將能量值為E的荷電流事件數目與能量值遠大於E的中性流事件的數目相比較。因為中微子束包含相對較少的高能量中微子,所以類似的分析結果可能會是中性流事件與荷電流事件比率極低且人為成分較高。未能僅憑強子的能量來處理兩種事件無疑要為某些早期實驗者的結論負責,他們認為在荷電流事件這一層面不存在中性流相互作用。

數據分析能夠造成根本的區別。如何分析事件以及在分類並組織從一次大型實驗中所獲得的大量信息的任務中投入什麼資源通常能夠給予實驗巨大的優勢,或者甚至能確定是否能夠做出新的發現以及何時能夠發現。在團隊內部,以不同方式分析信息的子組會以全部競爭的熱情去爭論在宇宙射線時代或早期關於原子性質的爭論時實驗小組所展示的實驗結果的重要意義。


註釋

[1] Cf.Young,「Neutrino,」CERN Yellow Report 67-12(1967).

[2] Fiorini to author,16 July 1986,and Cundy and Haguenauer,「Gargamelle Meeting,」CERN-TCL,9 March 1972.

[3] Fry,interview,30 May 1984.Camerini,interview,1 June 1984.Palmer,interview,June 1983;and Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[4] Palmer to author,8 June 1983;Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[5] Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[6] Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[7] Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[8] Palmer,「Preliminary Results,」May 1972,PP.

[9] Palmer,「Semileptonic Neutral Currents,」Phys.Lett.B 46(1973):243.Received 24 May 1973.

[10] Palmer to author,8 June 1983.