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圖集中的一個事件

繆塞對於新的理論成果的興奮感因另外一條好消息而得到提升。在1月初,就在他離開前往美國的幾天前,亞琛研究小組為中微子-電子(僅含有輕子)發散事件找到了備選。在亞琛進行一些圖片的常規掃瞄時,拍攝到的圖像可以被解讀為一個明顯發起於室的中央的單體高能電子。亞琛電子事件滿足所有電子研究小組應用在研究中的標準。它是與外界隔絕的並且正好在可測量的室的可視範圍內。這排除了電子受到光子撞擊的可能性,因為高能量光子在氣泡室液體中只能移動幾厘米。電子已經融入束的方向,使其符合電子受到一束中微子撞擊的假設。最後,電子有著如此高的能量,使它不會受到荷電流事件發射出的相對能量較低的中性強子的撞擊。

對亞琛事件的認知以及作為一項真正「發現」的定位是分幾個過程發生的,起初作為在實驗室等級體系中逐漸提高地位的「黃金事件」到後來面對整個協作團隊的研究。在第一級中,一位擔任掃瞄氣泡室底片工作的女性工作人員,漢內洛·蕾赫根(Hannelore von Hoegen)注意到一個不平常的事件(見圖4.25,並與圖4.21比較),她將其歸類為極其罕見的μ介子加γ射線事件。在檢查掃瞄儀的工作時,從事研究工作的學生之一,弗朗茨-約瑟夫·哈澤特(Franz-Josef Hasert)對此古怪的事件更加好奇。他回去重新查看膠片並認出其中螺旋狀的粒子為電子(再次見圖4.25)。第二天,哈澤特帶著圖片大步上樓奔向研究組副組長約根·克羅格(Jurgen von Krogh)。克羅格同意該圖片有相當重要的意義。他將圖片交給研究所負責人赫爾穆特·費斯奈爾,他後來寫道:「該事件是我們幾個月來一直期待出現的形象的例子:中微子電子發散的背景。但要評估的關鍵點是背景。」[1]對於單一電子來說,占主導地位的背景正是逆β蛻變。普通的衰變是:

圖4.25 圖集中的事件。加爾加梅勒室中第一個單體電子事件在1973年1月初發現於亞琛。這是電子中μ介子中微子完全的輕子發散的備選。許多理論家和實驗者發現這些事件特別引人注目,因為他們的分析不需要任何關於質子和中子內部的假設,並且特別易於分析。電子的運行軌跡是從左向右。在箭頭的末端開始,表面上被一顆向右移動的中微子撞擊。帶有光環的黑色圓圈是照亮氣泡室液體的燈光。來源:Hasert et al.,「Muon-Neutrino Electron Scattering,」Phys.Lett.B 46(1973):122.

中子→質子+電子+反電子中微子 (4.3)

逆β蛻變是:

電子中微子+中子→電子+質子 (4.4)

反電子中微子+質子→正電子+中子 (4.5)

只有電子-中微子產生電子。因為照片明確捕捉到了1個電子,並且拍攝到反μ介子中微子的移動,所以僅有的重要背景是來自電子中微子的細微混合,不約而同地進入反μ介子中微子束。這就是讓菲斯奈爾感到興奮的根源。

菲斯奈爾搜集了所有的「圖集」例子,並與克羅格一起前往英格蘭,將搜集到的例子交給珀金斯。通過他幾個月前在巴達維亞發表的言論判斷,珀金斯懷疑根本沒有或僅有極少的中性流,因為沒有發現任何夢寐以求的輕子事件。在拿到菲斯奈爾在亞琛拍到的圖片後,珀金斯的態度改變了:

我只有一個問題,這是一張中微子的照片還是反中微子的?在瞭解到這是一個反中微子事件後,我帶頭衝到酒吧去慶祝。在那時,預計的背景是0~1個事件,因此這一個實例已經足夠說服我(儘管顯然不能代表整個世界)。所有在那以後發生的事都很令人掃興。[2]

菲斯奈爾在1973年1月11日給拉加裡格的信中寫道:「該事件令我們感到非常興奮;它實際上是中性流例子中一個非常令人喜歡的候選。」[3]在幾天後的回信中,拉加裡格強調了兩個重要的背景程序,解釋了需要如何去研究。我會很快回到關於這些問題的討論中,但在研究小組能夠掌握針對背景的全套理論武器之前,一些粗略的計算結果改變了許多協作者的信仰。[4]對於他的同胞,歐洲核子中心負責人菲斯奈爾持非常樂觀的態度,在2月9日聲明:

「亞琛事件」可能會撼動整個世界,或者至少是科學界。因為我們努力尋找的背景並未出現很多。因此更大可能是,這是第一例從電子中發散出μ介子中微子的事件!這會是很美妙的,不僅僅對於亞琛。就像機智的卡比玻所說:(這裡的文字是從德語譯成英文的)「你們知道,亞琛真正代表了歐洲核子中心!」(笑聲,掌聲)。[5]

經驗豐富的氣泡室實驗者發現亞琛事件中的電子特別引人注目。他們以擅長根據一些明確的實例做出重要發現著稱。Ω-粒子因一張圖片而被眾人所承認,就像零式級聯那樣。乳劑以及雲室研究小組也根據類似的「黃金事件」來編輯論據,包括第一批奇異粒子以及大量的K介子衰變。在一封寫給拉加裡格的信件中,菲斯奈爾援引了拉加裡格早先關於類似光輝事例的聲明:「我仍清晰地記得您在12年前所做的宣言,一個單獨明顯的電子足夠證明μ介子-中微子與電子-中微子的特性。」[6]然而還有太多處於緊要關頭的實驗而無法立刻發佈結論。此外,來自美國方面的競爭力似乎已遠遠落後。

在看到此事件後,拉加裡格告知菲斯奈爾接下來需要做的工作;協作團隊要很多種實驗去消除背景影響。[7]在高能物理學中,情況常常就是這樣。這意味著要求助於電腦的數據庫。

在1973年2月6日召開了全體中微子協作團隊大會,討論這幅令人震驚的新圖片。[8]從一開始,對每個人來說很顯然最危險的背景就是電子-中微子通過反應(4.4)放出單體電子,但並未發現質子,可能是因為被重新吸入到核子中:

電子-中微子+中子→電子+質子(未出現)。 (4.6)

反應(4.6)只不過是一個普通的很容易理解的荷電流事件。在電傳終端外部聚集了數據匯總磁帶中錄製的數據,含有無數掃瞄軌道的集體智慧:309次出現含有1個或更多質子的μ介子;質子數小於3個並且介子移動偏離粒子束5°以內的(稱這些為「硬」μ介子)。考慮到30%的掃瞄效率,也是就是說掃瞄儀僅會發現30%的事件,這產生了如下公式:

因為μ介子與電子的荷電流相互作用在加爾加梅勒室能量條件下是完全相同的,結果是獲得相同比率的電子:

數據匯總帶顯示在一半的體積內有11個含有質子的電子,給出不含質子的電子的期望值為0.6;因為在反μ介子-中微子膠片中電子中微子數要比在μ介子-中微子膠片中少7倍,所以由此產生的最終背景是0.09±0.07事件。

驗證這個結果的一種方式是計算直接由電子-中微子造成的背景數。要這樣做需要瞭解一共有多少電子-中微子。來自倫敦大學學院的傑拉爾德·米亞特確信百分之一的μ介子-中微子通量,給出的背景為0.04±0.02。[9]

另一個背景過程是γ射線產生的正負電子對,但在兩種粒子間,能量分佈十分不均勻,以致在正電子中只能發現很少的能量。早在1973年2月6日召開的協作會議中便已明確「此背景是很小的」。博士後學生豪爾赫·莫芬在該月21日的一次演講中向德國物理學會闡明了究竟有多小。將不對稱的比例按照一本早在1961年由羅西編纂的教科書中兩兩組成「標準」的電子對並將該比率乘以一個給定的0.015事件,作為由非對稱電子對引起的背景。該團隊僅記錄一個高能康普頓電子對。[10]

可能性更小的是該備選只不過是被撞入γ射線的範圍(例如康普頓電子)。但是亞琛電子影響力非常大,以致這種可能性從未在協作會議中提起;莫芬採用克萊因與仁科芳雄20世紀30年代陳舊的公式為德國物理學會就此做了明確的計算。該公式是用於計算在亞琛電子能量的條件下,康普頓散射效應與產生電子對的比率,結果僅為0.5%。因為該協作團隊僅有一個電子對產生的粒子,所以康普頓背景是微小的0.005事件。[11]

在接下來的幾個月中,論據的基本結構基本保持相同,儘管該研究組認為他們在獲得掃瞄效率方面的更好信息前,不應公佈結論。在彼此相互規勸進行下去的條件下,每個實驗室都必須出力、必須嘗試,並「查證他們是否是真正的單體μ介子。每個實驗室都必須提供高能γ射線事件的掃瞄及重新掃瞄的結果以求得到足夠的數據。對測量所有的電子-強子事件需要做出很大的努力」。[12]其他研究組承擔了檢查電子-中微子實際流量的任務,以求能夠進行更為確定的背景直接計算。在1973年3月和4月,背景降到更低,因為在膠片的重新掃瞄過程中發現了更多的含質子的μ介子事件,但硬μ介子的數量相對較少。

但在得到數據後,協作人員開始掙扎於一個基本問題:從這些數據中能夠得到什麼結論?對於一些物理學家來說,他們明確的目標是要約束溫伯格角理論,也就是說要假設該統一理論是正確的並通過實驗來修正自用參數。(事實上,在一本備忘錄中,該寫作團隊將單電子事件命名為「溫伯格事件」。)[13]對於包括坎迪在內的其他人來說,適合採取更為謹慎的方法。在1973年3月6日,坎迪就中性流研究的狀態發表一篇備忘錄,回顧了早先的限制條件並提醒他的同事「從獲取的事件中,除了應繼續進行此類關於反中微子的實驗以外,不會得出任何結論」。[14]

協作團隊的結構很複雜,組織成員們都要面對壓力,在整個研究組接受之前不得私自發佈任何結論。事實上,當有人確實發表了初步的判斷,協作團隊會迅速在協會團體會議的會議記錄中做出回應,該會議記錄起到的作用就像一種內部期刊。公開「未經討論的結論」

是不被協作團隊所接受的並且應立即撤回。由於會議的次數很多,所以,經協作人員同意,各類人員提出相同(並正確)的結論是很重要的。如有人想要提出新的結論,應事先將這些結論交給協作團體審批。

到目前為止,在這一點上,該協作團隊一直都做的相當好。希望大家能夠尊重上述流程。[15]

像這樣的約束使得大家很清楚:雖然在協作子組的內部,信息可以暢通傳播,但跨越整體協作團隊界限的信息可能會危害實驗的可信度。塗爾干(Durkheim)經常強調社會實體的界限在犯規過程中遇到阻力時會變得明顯。非常普遍的是,協作的實驗使得社會周界在這樣的控制信息公開的紀律下能夠精確地顯示。通過對比,美國的研究組會提供一種協作的例子,在這種協作方式中,不會在類似與外界的交流中強加任何限制。


註釋

[1] Faissner to author,7 December 1981.

[2] Perkins to author,9 September 1983.

[3] Faissner to Lagarrigue,11 January 1973,HFP.

[4] Lagarrigue to Faissner,16 January 1973,HFP.

[5] Faissner to Jentschke,9 February 1973,HFP.

[6] Faissner to Lagarrigue,11 January 1973,HFP.

[7] Lagarrigue to Faissner,16 January 1973,HFP.

[8] Cundy,「Minutes of 30 January,」CERN-TCL,6 February 1973.

[9] Cundy,「Minutes of 30 January,」CERN-TCL,6 February 1973.

[10] Rossi,Particles(1961),79;Morfin and Weerts,「Neutral Currents,」PITHA,21-23 February 1973.

[11] Morfin,「Purely Leptonic,」in Neutral Currents,PITHA,21-23 February 1973.

[12] Cundy,「Minutes of 21 March,」CERN-TCL,26 March 1973.儘管二次檢索正在進行中,協會在1973年4月11至12日開始發佈單電子的研究論文。參見Cundy,「Minutes of 11&12 April 1973,」CERN-TCL,17 April 1973.

[13] E.g.,Morfin,「Purely Leptonic,」in Neutral Currents,PITHA,21-23 February 1973.「Weinberger」reference:Cundy,「Minutes of 30 January,」CERN-TCL,6 February 1973.

[14] Cundy,「Search,」CERN-TCL,6 March 1973.

[15] Cundy,「Minutes of 21 March,」CERN-TCL,26 March 1973.