美國的物理學家與歐洲的物理學家一樣，都渴望能在高的能量下利用中微子來探測核子。隨著計劃明確要建造一間美國國家加速器實驗室，未來的研究人員援引中微子物理學作為實驗室主要的物理學理論根據之一。1968年4月中旬，議會通過提案並且由約翰遜總統簽署授權文件允許建造設施，工人在當年10月開始破土動工以安置加速器的第一部分。[1]在1968年與1969年的夏天，佔地6800英畝、耗資2.5億美元的實驗室仍在建設之中，物理學家在科羅拉多州的阿斯彭舉辦了一次夏季研討會議，以求就即將開展的實驗提出方案並討論。有很多參與者提交了研究W的提案，其中就有阿爾弗萊德·曼恩（Alfred K.Mann），一位擁有豐富計數器和火花室實驗經驗的賓夕法尼亞大學物理學家。
曼恩在阿斯彭提出了一份關於通過高能量中微子來源事件，以高電荷核子為目標產生W，進而利用地塊間的火花室探測粒子衰變產物的可能性的報告。[2]根據開始的計算結果，曼恩辯稱這樣的研究會是很有效的，如果W的能量值小於大約50億電子伏。就像施瓦茲、楊振寧以及李開復所提出的方案，以及歐洲核子中心很多的提案那樣，W研究被許多在阿斯彭的實驗者視為基礎物理學研究中的當務之急。
部分是由於他為會議所作的準備，而部分是由於在此提出的其他研究方法，曼恩主張在國家加速器實驗室開展一項高能中微子實驗。[3]但他顯然不是唯一一位將目光放在即將在新的加速器中開展的首次中微子實驗的物理學家。一開始便很明顯，無論是誰進行了第一次中微子實驗，都將在收穫能量高於任何之前的加速器中產生的中微子束這一勝利果實中佔據有利位置。當曼恩開始起草方案時，很可能對他來說如果協作團隊中的梅爾文·施瓦茲、傑克·施泰因貝格爾（Jack Steinberger），以及利昂·萊德曼（Leon Lederman）也提交了進行首次中微子實驗的申請，那麼他將面對嚴酷的競爭。這些來自哥倫比亞大學布魯克海文學院的物理學家不僅有一起致力於二份量中微子研究以及後續實驗的經驗，他們所使用過的設備也與曼恩希望建造的火花室探測器十分相似。[4]此外，詹姆斯·沃克（James Walker）提出的方案在計劃委員會作出最終決定之前一直對實驗1構成直接競爭。為了在自己的方案上增加份量，曼恩求助於一名給他留下深刻印象的更加年輕的物理學家——大衛·克萊因（David Cline）。
像曼恩一樣，克萊因有豐富的弱相互作用物理學實驗經驗。並且對於克萊因來說，中性流是一個長期關注的目標，自從他在威斯康辛大學的畢業作品開始，在那裡他是威廉姆·弗萊的學生。為了準備論文，克萊因研究了位於伯克利質子加速器的鮑威爾重液氣泡室中所拍攝的K+衰變圖片。在大約25萬張圖片中超過2900萬個靜止的K介子中，克萊因在尋覓罕見的衰變。克萊因對於稀有的鮮明特徵的探索成為他之後多年保持的一種實驗風格。
罕見的衰變模式是很重要的，即使是在無法發現目標事件時。有時，如克萊因在他論文的開篇所指出的：「某些衰變模式的缺失同另一些衰變模式的存在同樣重要。因此，不論是否能夠成功發現它們，去仔細尋找某些衰變模式仍是非常重要的。」[5]並且正是中性流的不存在標誌著早期工作的最大成就。就像在之前章節中談到的結論，克萊因當時正在研究奇異性變化的中性流，而沒有去注意奇異性守恆的中性流以及他們之間的區別。他論文研究的一個實例是K+→pi-plus+電子+正電子，其中克萊因認為該反應式原理是：首先，K+→pi-plus+B0（一種中性負責傳遞力量的粒子，與Z不同）；第二，B0→正負電子對。起初克萊因使用掃瞄儀挑選出很明顯沒有觀察到動量的事件，顯示中性粒子的範圍。掃瞄儀也同時去除了能夠看到是由光子產生的正負電子對的事件。對於剩餘的上千事件，克萊因採用更進一步的選擇標準，包括對於蒙特卡羅模擬給出的介子動量要求。當他最終實現面對很小一部分樣本時，他就可以一件一件地去討論事件。這是克萊因推理個體事件的一個例子：
事件編號116859很可能不是〔k+→π+〕e+e-衰變的例子，因為不變的質量與π+e+e-含有相同的π+動量衰變所預期的有很大的不同。同時，範圍內的動量要大於平均合適的動量。該事件很可能是背景的例子。事件編號187088因其很高的不變質量而符合π+e+e-衰變。[6]
事件187088如圖4.29所示。克萊因用它確立了該衰變模式與所有正K介子衰變小於3.7×10-6的比率。[7]根據此衰變以及其他幾種衰變，克萊因總結道：「不存在中性輕子流（中性矢量玻色子衰變為輕子的中性流）看似已經得到確認。」[8]在接下來的幾年裡，克萊因繼續著為中性流設定範圍的工作。
圖4.29 編號187088：是個黃金事件？通過特別細緻地分析此事件，克萊因表明如果這是K+→π+e+e-的一個明確的例子，他就可以針對事件的發生率設定一個上限。此類中性流事件與相似的荷電流事件的比率小於大約1/30000。來源：Cline，thesis（1965），89.
如上述衰變研究所示，克萊因關於奇異性可變的中性流的細緻工作涉及典型特徵的識別。（見圖4.30）。但在此實例中，利用罕見事件的證明不僅要求發現這些特殊的事件，還要說明這些事件的背景是很小的。用克萊因最喜歡的一個詞組來形容，這樣的事件即為黃金事件。像第一張正電子圖片，第一張靜止μ介子圖片或第一張亞琛電子圖片所展示的那樣，此單組軌道可能會經常說服那些在國內憑借探測現實影像的視覺技術的實驗者。其他經受不同的培訓方法並且有著不同傾向的實驗者給出的反應也相應地不同，並且這會證明理解美國中性流實驗是如何結束的重要性。
圖4.30 克萊因進行的罕見的弱相互作用研究。從克萊因在物理學方面工作的開始，他便關注罕見的相互作用，視為解決弱相互作用理論基本問題的關鍵，例如中性流的存在問題。在這張草圖中，克萊因繪製了會在K介子衰變中探索的一些類型的事件。來源：Cline，thesis（1965），6.
在他的論文發表幾年後，在他與其他許多實驗者已經完成了各種關於奇異性變化的中性流的其他實驗之後，克萊因回顧了1967年在巴黎國際基礎粒子物理研究院的研究課題。他對於中性流的不存在幾乎沒有任何質疑。克萊因總結道：
薩拉姆、沃德、古德、米歇爾、拉斐爾、德斯帕那特以及布魯德曼提出的此類弱相互作用模型的決定性測試，很可能會來自從目前來看幾乎不可能發生的輕子-輕子發散的實驗研究。然而，對於不存在中性輕子耦合（及可能的原始中性強子耦合）做出的成功解釋無疑會在弱相互作用的終極理論中成為一個非常重要的因素。[9]
曼恩與克萊因一同在1969年12月起草了一份新的提案，制定了一份更加完整的計劃，這份計劃的概要呈現在阿斯彭夏季研究報告中。[10]他們有兩個目的：第一，他們想要針對中微子事件，根據從中微子轉移到目的地的能量與動量來測量橫截面，以及荷電流事件總的橫截面；第二，當然是W粒子的研究，要麼通過產生一個真正的W粒子（如果W小於80億電子伏），要麼產生一個虛擬的W粒子（如果W較重）。這些過程的細節如圖4.31和4.32所示。
圖4.31 中微子產生W。每項高能中微子實驗的早期目標實質上是要通過這裡描述的過程產生W。這一期望有可能實現只是因為大家都認為W的質量不會超過特定的電子伏特數值。20世紀80年代進行的實驗以及格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論均認定W的質量超過800億電子伏，因此憑借20世紀60年代的中微子能量是完全無法達到的。
圖4.32 尋找W。如果W能夠像在圖4.31中那樣產生，那麼當W衰變時將能夠探測到W。如此圖所示，W的信號是1個正極與1個負極的μ介子。中微子仍無法看見。
為了實現這樣的宏偉目標，曼恩和克萊因申請了一台比曼恩原來計劃使用的簡單火花室更加複雜的裝置。作為第一個創新，他們建議將液體閃爍容器交叉放置於鐵礦中間，以此構成樣本電離熱量計。具體運行方式如下：當強子撞擊鐵塊時，會產生帶電粒子簇。通過液體閃爍體級聯，它們造成光線的發散，能夠通過光電管收集並測量。該修飾語「樣本」指的是並不會測量所有粒子的能量這一事實，而是僅會測量一小部分的粒子能量並據此推測出總的能量。曼恩和克萊因建議將鐵塊與火花室交替放置，位於熱量計下方25米左右的位置來確定範圍，並進而確定μ介子的剩餘能量。為了顯示μ介子的標記，μ介子探測器的第一部分將會被磁化。通過測量強子與μ介子的能量，該實驗裝置能夠確定原始中微子中的能量，因為所有的中微子能量不是進入強子就是進入μ介子。因此，根據中微子能量發現橫截面的目標可以實現。
儘管取得了這些進展，但曼恩仍認為該裝置還不足以對於國家加速器實驗室的計劃委員會構成影響，因此他和克萊因求助於當時在哈佛的卡羅·魯比亞，他是曼恩在歐洲核子中心時期休假的時候所結識的。[11]最重要的是，魯比亞給他帶來了設計與建造大型電子探測器的經驗（見圖4.33）。
魯比亞的實驗用到了計數器數組、火花室、閃爍計數器以及絲室。它們大多是帶有大量關於從μ介子衰變及捕捉到K介子研究等課題的統計數據的實驗。在一項實驗中，有將近24億個μ介子被控制在一個火花室裝置中，以便檢查它們是否能夠在沒有中微子的情況下衰變。[12]在20世紀60年代後期，魯比亞的工作轉變為更加精確地確定兩種中性K介子質量的差別，這會為弱相互作用的對稱性提供線索。
圖4.33 魯比亞的電子探測器。在他進行E1A實驗之前的職業生涯中，卡羅·魯比亞實質上是專業從事電子探測器設計與製造的——計數器、閃光體以及火花室。但當電子技術與數據積累遍佈所有設備時，請注意與1960年的裝置（a）相比，規模與複雜程度上有著怎樣的改變，當時的裝置僅能夠測量大約25厘米的跨度。到了1970年，混合探測器從一端到另一端的跨度為15米。他正是利用這個經驗來幫助改變E1A非常大的目標/計算器。來源：（a）Conversi et al.，「Muon Capture，」Nuovo Cimento 18（1960）：1284.（b）Conforto et al.，「Neutrinoless Capture，」Nuovo Cimento 26（1962）：268.（c）Barlow et al.，「Asymmetry，」Phys.Lett.18（1965）：65.（d）Alff-Steinberger et al.，「CP，」Phys.Lett.20（1966）：208.（e）Bohm et al.，「Regeneration，」Phys.Lett.B 27（1968）：596.（f）Darriulat et al.，「Search，」Phys.Lett.B 33（1970）：250.
特別是，兩種對稱性存在爭論：如果任何發生反應的鏡像也發生反應，則是奇偶對稱；如果任何過程的電荷相反的模式仍能夠發生，則是電荷對稱。弱相互作用似乎違反了這兩種對稱性。首先，物理學家發現奇偶對稱失敗；然後瓦爾·菲奇（Val Fitch）與詹姆斯·克羅寧（James Cronin）發現即使是電荷與奇偶對稱性的組合也無法實現弱相互作用。[13]對於20世紀60年代大部分時間來說，魯比亞建造了更為複雜的電子探測器來研究K介子系統中的這些結果。
E1A的三位主要協作者因此帶著弱相互作用物理學領域豐富的經驗共同開始了此項研究，雖然他們所使用過的裝置是不同的。正如我們將要看到的，早先的技術經驗有助於確定每位參與者均發現其具備說服力的數據。
為了協調計劃，三位主要的研究人員——曼恩、克萊因以及魯比亞——於1969年末在肯尼迪機場的大廳會面。在分開前，他們一致同意繼續擬定一個中微子實驗的聯合方案。現在，「哈佛-賓夕法尼亞大學-威斯康辛協作團隊」他們的方案設定了三個目標，每個都與形成於大西洋對岸的歐洲核子中心計劃中的三個主要目標相似：
（1）W研究
（2）橫截面研究
（3）部分子測試
因為自從曼恩-克萊因的方案提出後，部分子模型便開始作為基礎粒子物理學中的熱門話題出現。[14]
探測器不得不再一次重新設計（見圖4.34）。現在熱量計會是完全有效的，所有儲存在礦物油液體閃爍體中的能量都會被光電管收集。在閃爍體容器間會放置火花室來記錄強子與μ介子的運行軌跡。此外，計數器A、B、C與D都可以用於啟動火花室。例如，該裝置可以設定為僅在沒有任何帶電粒子通過A進入設備的同時，在熱量計中有強子簇的時候啟動。這會否定（阻止記錄）任何由隨中微子偷偷進入室內的帶電粒子引起的事件。曼恩、克萊因以及魯比亞也改進了探測器的第二個階段。取代用μ介子通過鐵塊的範圍來確定μ介子能量的方法，該小組計劃安裝巨大的磁鐵塊，用於通過造成粒子延彎曲軌跡運行來測量μ介子的動量。[15]
因此，這些物理學目標與歐洲核子中心的相似。但實驗不同。在設備設計的背後仍有關於中微子相互作用兩個階段的分析：熱量計與μ介子分光儀。通過將這兩種探測器結合起來，與簡單的火花室實驗相比，E1A研究組可以記錄更多的信息，使研究組能夠更順利地與氣泡室中微子物理學家競爭。火花室熱量計也有兩個其他重要的優勢。
最重要的是火花室是處於啟動狀態的，這意味著能夠通過設定計數器，僅在有趣的事件發生時運行火花裝置與照相機。如我們在第3章中所看到的，此局部的特性的確是將計數物理學與早期（1932年之前）的雲室研究區分開來的特點。但當朱塞佩·奧基亞利尼與塞西爾·鮑威爾能夠創造一個計數器控制的雲室時，計數器控制的氣泡室從未達到預計的效果。（氣泡室無法啟動，因為帶電粒子存儲的熱量在發生擴張前就已消散。）火花室的另一個優點是他們可以比氣泡室更大，得出的目標質量的比例為10:1（100噸比10噸）。因為與物質發生相互作用的中微子大體上與目標的質量成正比，這給美國的協作團隊帶來大於歐洲團隊10倍的優勢。E1A會以10倍於加爾加梅勒的能量進行：200億電子伏對比20億電子伏，預計的中微子相互作用比例也相應為10:1。所以，如果粒子束密度（粒子數目）相同，國家加速器實驗室可以預計在日內瓦以外看到的100個事件的順序。事實上，在大西洋兩岸正在進行一場關於增加每次脈衝（P/P）產生的質子數的大型競賽。在1972年3月，國家加速器實驗室有5×109能量每脈衝；在7月為1011能量每脈衝，在10月為1012能量每脈衝；在11月為4×1012能量每脈衝。到了1974年5月，達到8×1012能量每脈衝。[16]歐洲核子中心的質子同步加速器在1972到1973年度即已達到2×1012，在1972到1973年度末已達到5×1012。[17]如這些數字通過圖表的顯示，我們可以看出即使是一項高能實驗進行時也並不完全由最終簽署發表論文的人來控制。成功或失敗經常直接取決於加速器工程師保持粒子束以正確的密度及能量行進的能力。
圖4.34 E1A（上方）設備圖解。第一階段由4個液體閃爍體部分元件組成（標籤1—12），交替放置於雙間隙火花室（標籤為SC1——SC4）中間。帶電粒子通過閃爍體時產生的光線由光電管收集。當收集到一起後，光電管的輸出與儲存的能量成正比。同時，火花室按照帶來粒子運行軌跡產生了相應的痕跡，能夠用於分析後續發生的事件或者觸發線路上的電子。此外，閃爍體與火花室還起到中微子目標的作用。在磁場的第二階段，用於測量μ介子動量（μ介子，而非強子，很容易穿透厚厚的鐵防護罩）。（中間）荷電流事件典型火花室展示。通過SC5——SC8的那條線路會自動歸類為μ介子。所有其他的軌跡均終止，暗示他們很有可能都是強子。（下方）熱量計記錄了事件每個閃爍部分的能量儲備。來源：Benvenuti et al.，「Observation，」Phys.Rev.Lett.32（1974）：801.
兩類探測器中存在的競爭反映出一個深奧的實驗難題：氣泡室提供了詳盡的特定要素與識別的相關信息，但它們是需要大量膠片與運行時間去定位並記錄事件的被動裝置。而火花室通常在時間分析中提供較少的細節，但它們是時刻處於啟動狀態的，只有在特定邏輯電路啟動時才會記錄事件信息，憑此能夠提供更高比例的有用信息。E1A採用一部設計用於嘗試縮小局部差距的探測器。正如我們將要看到的，選擇粒子識別還是高統計數量這一難題在形成這些實驗結束的方式中起到至關重要的作用。
在哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞的提案中幾乎沒有提到中性流。[18]在主要物理學目標中也沒有提及，並且在提到中性流的時候，也沒有列在定量預測的內容中。在SU（2）×U（1）的模型中沒有出現任何內容。更加重要的是，設備的設計，即便在原理上就是這樣，以至於在初始模式的實驗還不能記錄中性流。
無法發現中性流是因為邏輯電路是設計用於記錄只有粒子能夠穿透一塊4英尺厚的鐵板進入μ介子分光儀的事件。中性流是那些不含μ介子的中微子事件。觸發器的特點，與其他很多特點一起都來自於哥倫比亞-布魯克海文實驗，其中這樣的觸發器有效地消除了不會產生任何μ介子的無關事件。這有一件逸聞趣事。據施瓦茲與萊德曼所述，在他們早期的火花室實驗中記錄了許多事件，在這些事件中的最終階段根本沒有μ介子存在。以研究組的專用語描述，這些奇異事件被命名為「騙子」，充分證明了他們對與關於本性的深奧問題所感知到的重要意義。[19]有一段時間當掃瞄火花室膠片成為一件持續的令人討厭的事情，增加一個可以選擇真正中微子事件的觸發器似乎是通過開拓電子探測器多能性所取得的重大進步。
註釋
[1] Hoddeson，「KEK and Fermilab，」Soc.Stud.Sci.13（1983）：1-48，esp.13-21.
[2] Mann，「W Searches，」Batavia，1969（no publication date），201-207.
[3] Mann，interview，29 September 1980.
[4] Danby et al.，「Two Neutrinos，」Phys.Rev.Lett.9（1962）：36-44.
[5] Cline，thesis（1965），1.
[6] Cline，thesis（1965），88.
[7] Camerini et al.，「Leptonic Currents，」Phys.Rev.Lett.13（1964）：318-321；Cline，thesis（1965），89-90.
[8] Cline，thesis（1965），96.
[9] Cline，「Search for Neutral Currents，」in Ecole Internationale，Heceg Novi（1967）.
[10] Cline and Mann，「Proposal for Neutrino Scattering，」draft NAL proposal（1969）.
[11] Mann，interview，29 September 1980.
[12] Conforto et al.，「Neutrinoless Capture，」Nuovo Cimento 26（1962）：261-282.
[13] Christenson et al.，「Meson，」Phys.Rev.Lett.13（1964）：138-140.Fitch，「Parity Asymmetry，」Rev.Mod.Phys.53（1981）：367-371.Cronin，「CP Symmetry Violation，」Rev.Mod.Phys.53（1981）：373-383.對離散對稱相關實驗的歷史性分析參見Franklin，「Discovery and Nondiscovery，」Stud.Hist.Philos.Sci.10（1979）：201-257；and Franklin，「CP Violation，」Hist.Stud.Phys.Sci.13（1983）：207-238.
[14] Beier et al.，draft HWP proposal，HUEP-17（1970）.
[15] Beier et al.，draft HWP proposal，HUEP-17（1970）.
[16] Teng，「NAL Synchrotron，」in U.S.-Japan Seminar（1974），21-22；NAL Staff，「NAL Accelerator，」Stanford（1974），13.
[17] CPS Staff，「Improvements，」in Stanford（1974），527.
[18] Beier et al.，draft HWP proposal，HUEP-17（1970）.
[19] Schwartz，interview，20 October 1983；Lederman，conversation，May 1985.