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中性流真的存在嗎?

在1972年4月,拉加裡格將中性流研究視為中微子項目三大主要目標之一。正如在他給當時的歐洲核子中心負責人威利巴爾德·延奇克(Willibald Jentschke)所寫的書信中寫道:「在溫伯格的理論發表以後,每個人都渴望知道中性流是否真的存在。」[1]中性流研究,始於1972年1月的加爾加梅勒,到了1972年春季末期,對於整個寫作團隊的許多物理學家來說已經成為研究的核心領域之一。然而,有部分個人就該實驗是否會肯定或駁斥溫伯格的理論以及是否應優先追蹤輕子或強子的通道等問題持不同意見。例如,在那年秋季,查爾斯·巴爾戴(Charles Baltay)、坎迪、費斯奈爾、珀金斯、米亞特以及豪爾赫·莫芬(Jorge Morfin)幾乎將注意力全部放在單電子的研究上。[2]

當然,子組之間並不是完全封閉的。例如,珀金斯對在強子組的數據所產生的異常巨大的影響表示十分擔憂,而他從痛苦的經歷中瞭解到一個人能夠輕易地被誇大的關於中性流的限制強度所欺騙。在牛津,珀金斯用鋼筆給坎迪寫了一篇技術備忘錄。目的是:

鼓勵協作團隊中的人員仔細研究中性強子弱電流的問題,因為:1很可能會有明顯的效果;2證明中性流存在的條件要(比在歐洲核子中心古老的氣泡室時)更加優越。這會產生很大的影響,大到在加爾加梅勒細緻系統的分析,通過採用室中獲得的相互作用的位置以及事件更加清晰的統計數據,應該能夠首次證明中性流的存在。[3]

巴爾戴給予了回應,聲稱他僅憑借低能量的μ介子就能解釋過量的中性流事件。從第3章我們能夠明確,μ介子,與強子不同,對其特點最精確的描述便是其能夠穿透大量物質的能力。因此,在加爾加梅勒實驗中(眾多實驗的典型),μ介子備選通過其穿過整個探測器的能力被識別出來。然而,如果有某個移動特別慢的μ介子產生於室內的相互作用並且停留在氟利昂中,它就會被誤認為是一個強子。錯誤的是,掃瞄儀與物理學家會將該事件列為中性流的例證,而這卻僅是荷電流物理學中一個再普通不過的例子。珀金斯懷疑所有的事件都能用這種方式來解釋,因為早先的歐洲核子中心氣泡室數據顯示幾乎沒有低能量μ介子事件發生。「簡而言之,」珀金斯寫道:

我認為你的解釋沒有作用,並且我仍舊無法解釋過量的中性流事件,儘管我當然不會去斷言他們證明了中性流的存在。要提供最終的解決方案(如果有的話),當然需要對早先所得數據給出令人滿意的解釋。[4]

可以看出,珀金斯在努力克服一種不會自行慢慢消失的影響。然而,該現象涉及麻煩的假設,以及反駁他自己早先在歐洲核子中心做出的實驗結果的顯著困難。對不存在中性流這一傳統觀點的信任已經面對挑戰但未被動搖。巴爾戴,像幾名協作團隊中的其他成員一樣,保持了對輕子研究的狂熱並繼續在15英尺的費米國家加速器實驗室氣泡室從事關於中性流的研究。

繆塞、普利亞以及米蘭代表團繼續致力於強子通道的研究。在1972年6月,普利亞代表加爾加梅勒協作團隊出席在匈牙利巴拉頓菲賴德召開的會議,在那裡他做了一份關於強子中性流研究的進度報告。雖然他拒絕冒險對該影響是否會持續下去給出一個明確的判斷,但他相信加爾加梅勒團隊最終會計算出中子背景。[5]

在1972年7月,中性流研究小組對中性流問題已經產生了足夠濃厚的興趣,他們在巴黎召開了一次特別會議,與會人員沒有包括其他中微子協作團隊的成員。他們的目的是為將於1972年9月在伊利諾伊州巴達維亞的國家加速器實驗室召開的一次會議準備報告。[6]在巴黎會議開始前,組織者要求所有中性流備選的圖片提前發送到歐洲核子中心。該子組希望通過此舉來統一用於區分荷電流事件與中性流事件的標準。遍佈歐洲的7家實驗室所承擔的一項重要任務是處理加爾加梅勒的膠片。處理數據卡以針對總的縱向和橫向動量以及位置繪製事件能量的分佈。通過積累這些卡片並將信息錄入數據匯總磁帶,該小組希望一探有統計意義的背景問題。

對於整個小組來說,一個決定性論據的意義要遠大於1972年初的首批猜想。通過改變普利亞報告中所採用的策略,強子研究小組放棄了相對罕見的介子形成的事件。反而,他們選擇直接將注意力放在數量更多的一類事件中:中微子+(中子或質子)→中微子+任何事。

在1972年的巴士底日當天,巴爾戴、卡梅裡尼、弗萊、繆塞、奧蘇拉蒂以及普利亞,連同會議方案一起,書寫了一份完全關於中性流問題的備忘錄。[7]該子組成員建議他們最好能夠將中微子從高能量的中子相互作用中單獨分離出來,因為他們預計中子所含的能量大量少於中微子。簡單地說,這是因為中微子是粒子束中的主要粒子,而中子是當中微子撞擊核子時從核子中釋放出來的。從已經得到的數據中該子組可以看出核子中放射出的質子(作用很像中子)僅含有中微子原始能量的一小部分。並且根據不受格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論支配的理論,核子內部質子與中子的相似之處在理論上很好理解。

該研究小組選擇數據的精簡方法是否因此依靠某種理論?是的,在某種意義上說,能量精簡確實產生於新的理論。也就是說,沒有新的弱電理論,此特定的現象領域可能不會被挑出作為研究對象。做這樣精簡絕不會保證中微子備選的數目會超過預計的中子誘發事件數目。此精簡開拓出一片新的現象領域。在那個領域中,新的理論使能夠發現中性流備選看似是合理的,但早先的理論則表明無法發現中性流。類似精簡方式對於粒子物理學家所掌握的技巧來說,就像安排設備或評估粒子運行軌跡一樣基本。每一層次的精簡都要求實驗的判斷;每次都是必要配置的工具,用於從噪聲中分離出信號。

到了1972年7月末,強子研究小組的注意力完全放在能夠偽裝成中性流的背景上。有5種結果讓該團隊擔憂:

(1)中性粒子可能隨著粒子束進入室中並在室中發生相互作用。

(2)中微子在室的周圍產生的中子或中性K介子可能會進入室中並發生相互作用。

(3)宇宙射線產生的中性宇宙射線或中性粒子可能會帶來不良影響。

(4)荷電流事件可能會產生不夠活躍的μ介子,他們可能會停留在液體中被誤認為是強子。

(5)中性K介子,在室內兩種形式間來回擺動,可能會大幅延長穿透距離,遠超原來天真的預期。

不是組內的所有人都同樣擔憂所有這些問題。例如,弗萊特別關心K介子再生的可能性(上述提到的背景5),也沒有人因為宇宙射線而受到拖延,並且每個人都感覺有義務去解決慢速μ介子以及中子的問題。

1972年7月14日發表的子組報告的作者們認為可以通過幾種方式來估算慢速μ介子的數目。首先,它們的數目能夠半理論化地從標度假設中得到,但這有些牽強,因為在加爾加梅勒內發生的碰撞是中微子,要比之前在斯坦福直線加速器中心研究的電子能難理解。因此,此方法相當於是對部分子假設的推廣,並使計算出的背景減少量達到大約為荷電流事件的2%。其次,在丙烷中,慢速μ介子比在氟利昂中更容易識別。並且在丙烷中拍攝到的照片顯示慢速介子背景大約佔到3%。

該子組採用了另外兩種方法去除慢速μ介子背景。一種相對原始的技術是廢棄所有短程的負極軌跡,構成該軌跡的粒子無法作為已知粒子被識別。更微妙的是,可以使用一套結合計算與測量的方案來為隱藏μ介子污染物的數量設定上限。丙烷在加爾加梅勒中流動的過程中所拍攝到的圖片顯示出μ介子頻譜以及核質子從液體中捕捉低能μ介子的比率。理論給出了μ介子捕捉衰變粒子的比率,因此衰變粒子的數目能夠立即被計算出來。因為慢速μ介子的總數等於捕捉到的數目加上衰變粒子的數目,所以備忘錄的作者們知道在給定能量下存在多少μ介子。這為中性流備選中的「隱藏μ介子」中微子事件設定了上限。最後,該子組為記錄中性流備選建立了一套標準系統。在掃瞄儀檢查事件後至少會有一名物理學家對事件進行檢查,並且一點一點的,數據會被搜集到一起,以為計劃於1972年9月召開的巴達維亞會議做準備。

在那次會議中,珀金斯從他的角度總結了整個小組的工作。要注意他對強子與電子中微子實驗未來前景的評估,因為這反映出他純粹依靠輕子而非強子數據的決心。

就溫伯格的理論而言,最具決定性的以及明確的證據一定來自純粹的輕子反應。因為強子過程涉及可能包含未知抑制效應的強相互作用的細節。

在這裡我們可以看出應用於核子的進一步證明並沒有讓珀金斯感到滿意。同樣地,其他的實驗,例如弗雷德·萊因斯(Fred Reines)對反應器中中微子的研究,對於珀金斯來說,

都會被嚴重的背景問題所困擾。即使是在未來得到改進的實驗中能夠探測到清晰的信號,為了推翻溫伯格的理論,有必要證明觀察到的信號比率在近似限制範圍內符合V-A預測。很難相信精確度能夠達到20%以上。[8]

通過對比,珀金斯指出中微子-電子的碰撞是「更有希望發生的,因為μ介子-中微子電子發散的事件中獲得的信號將會是中性流特定的跡象」。這就是珀金斯認為加爾加梅勒團隊應該全力緊密追蹤的不在強子區的信號。他繼續說道,「迄今為止,在歐洲核子中心的加爾加梅勒試驗中,預計僅涉及輕子的中性流事件數在1到9之間,但目前沒有一個被觀察到。如果在剩餘的實驗中,還是沒有觀察到任何中性流事件,這會成為推翻溫伯格理論相當決定性的證據」。

珀金斯理論以高舉反對接受任何「表面是簡單的圖片,例如夸克模型」去解釋質子與中子的內部結構的旗幟終結。憑借引用伏爾泰的言論,他以一段文采飛揚的文字結束了他的演講,這段文字的目的很明顯是要約束他的同事,不要過於認真地看待物質的內部結果:

那些為宇宙秘密建設建造系統的哲學家們,就好像去過君士坦丁堡的遊客在討論蘇丹的宮殿!他們只看到了外面,卻聲稱知道誰是蘇丹的寵妃。[9]

並不是協作團隊中的每個人都同意珀金斯的警示。很可能是協作團隊內該部門的一部分,許多成員能夠生動地回憶起的內容並不是基於是否應該研究中性流,[10]而是所處的過程。的確,在1972年秋季,每個子組都在進行各自的數據分析,並完成冗長、通常令人沮喪的任務,其中有數以百計需要比較的事件、大量需要修改的定義以及需要調整的標準。到1973年1月,繆塞及其他成員已經搜集了足夠的數據來在美國物理學會於紐約召開的會議上展示他們的發現。

繆塞演講的重點幾乎完全是關於中子背景問題。他的數據是以荷電流事件的數目、中性流事件的數目以及關聯事件的數目這種形式呈現,針對在氣泡室中的縱向與橫向位置繪製分佈情況。像許多早先討論的內部研究一樣,繆塞的目標是證明事件在整個設備的容積範圍內發生得相對均勻,像中微子事件而不像中子誘發的事件。這不是最可靠的檢查,但在當時,很少會有關聯事件去研究。部分原因是研究小組提高了強子最低能量要求以便排除中子誘發的事件並在過程中發現大量不合格的數據。默認的空間分佈,承擔著主要論據的重擔(見圖4.24)。[11]

圖4.24 早期加爾加梅勒數據:中微子的證據?繆塞在1973年1月美國物理學會於紐約召開的會議上用幻燈片展現了這些初始的加爾加梅勒數據。每張圖均描述了3種類似中微子事件之一的空間分佈。儘管繆塞沒有做出任何發現聲明,但這些圖標的目標很明確是要說服聽眾中性流備選的表現(NC)就像真正的中微子事件。中性流備選均勻地分佈在空間中,就像他們會在真正的中微子相互作用中那樣。#CC代表荷電流事件(存在μ介子)的數目;#NC代表中性流事件(無μ介子)的數目;#AS代表關聯事件(見圖4.22所給出的定義)的數目。來源:MP.

在繆塞發表言論的時候,該研究小組相信他們的論證已經發展到能夠在協作團隊外從正面角度去討論影響,但他們不能確定所得數據是否高於中性流與荷電流事件比率的上限。[12]在演講結束後,伊曼紐爾·帕斯克斯叫繆塞與他一起討論新的研究成果。

僅僅在幾周之前,帕斯克斯和沃爾芬斯泰因已經根據溫伯格模型,針對普利亞、繆塞、拉加裡格以及強子研究小組正在研究的信號公佈了理論限制。[13]這兩位理論家因此掌握了繆塞自1971年11月首次見到朱米諾後便一直想從理論家身上獲得的成果。例如羅伯特·奧本海默的簇射模型,通過架設部分子的存在,中微子的計算將高階理論與實驗者能夠使用的數量聯繫起來。

帕斯克斯自己的陳述明確地將中微子實驗解讀成為中微子與夸克的相互作用。不像珀金斯那樣,帕斯克斯會反覆思考隱秘位置的奧秘。關於部分子沒有任何單一證據會具備說服力,但

將它們組合在一起就好像是拼好了一副拼圖,並且可能在能量大10億倍的條件下出現湯姆森所描述的質子。釋義所引證的湯姆森的內容,「這些實驗與理論思想開拓了新的研究領域,這是我們信心滿滿所希望出現的,會對兩個基本問題提出很多見解:強子的結構與弱相互作用的性質是怎樣的」?[14]

帕斯克斯和沃爾芬斯泰因估算中性流事件在荷電流事件中發生的概率超過18%。這樣的比率,恰好位於先前的上限值,對於加爾加梅勒團隊來說,已經大到足夠掌控。如果這兩位理論家是對的,加爾加梅勒正面臨一個幾乎令人難以置信的巨大效應:與先前的K介子限制相比,中性流的出現頻率高100萬倍。


註釋

[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] 珀金斯致巴爾戴,在加爾加梅勒合訂本中作為副本,1972年4月28日,D.C.坎迪的個人論文。

[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.提及的反應堆實驗報告參見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).