讀古今文學網 > 實驗是如何終結的? > 短路與高深理論 >

短路與高深理論

一切都對原始中性流的存在產生不利的影響:機械設備的指示、已經接受的實驗結果,以及沒有任何令人信服的理由去相信存在這樣的現象。隨著1970年冬季和春季施工建設的全面展開,實驗按計劃繼續向前推進。當年夏天,克萊因、曼恩,以及魯比亞發表一篇描述另一個渠道的文章,通過該渠道,他們可以使用他們的裝置發現正在衰變的W粒子。[1]再一次的,弱相互作用需要W粒子來獲得在高能量條件下存在意義的機會,但這項研究沒有與任何特定理論相關。事實上,三位哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞的帶頭人於1970年所討論的這項研究甚至不符合W粒所屬的SU(2)×U(1)理論,因為後者的W粒子重量超過800億電子伏特,而且中微子實驗無法研究高於100億電子伏特的事件。在1972年前,協作者沒有在印刷出版物中提及過格拉肖-溫伯格-薩拉姆模型的任何方面。

競爭不限定於國際領域,也不是指實驗室間的爭鬥。就集中化進行而論,加速器實驗室必須做出決定由誰在什麼時間開展實驗。就像歐洲核子中心必須在不同探測器研究組的需求中做出裁定,國家加速器實驗室也是如此。在1970年8月,曼恩寫信給威爾遜讓他召集一次會議,在會議中,可就每個擬進行的中微子實驗陳述實驗概要。曼恩總結道:「假設即使是在充滿喧囂與憤怒的時期,此次討論也會有重要的教育性內容並無不妥。」[2]威爾遜同意他的建議並且認為競爭會愈發激烈。備忘錄被反覆傳遞,並且實驗室負責人要求實驗人員要強調他們方案中的不同之處,因為很明顯,可選擇範圍已經縮小到E21(巴裡·巴裡什以及他的團隊)與E1A。[3]

在1970年10月3日,康納德·裡德(Donald Reeder)、吉姆·皮爾徹(Jim Pilcher)、曼恩,以及魯比亞聚集在布魯克海文以對加州理工學院的要求作出回應,並準備反擊。加利福尼亞人是如何計算信噪比的?他們是怎樣處理強子級聯的?關於中微子束所設計的實驗是夠切合實際?正在為陳述準備彈藥的哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞協作者們煞有介事地問自己:「我們要用幻燈片展示實驗數值的比較嗎?不。我們準備了幻燈片,但除非是強制性要求否則不會使用。」更加巧妙的是,他們進而確定了所採取的合適口吻:「陳述內容應強調儀器與事實——遠離論據與討論——利用時間提出事實與想法——不要有存在爭議性與煽動性的內容。」他們總結道,「讓我們用數據說話——讓觀眾得出順理成章的結論」。[4]

當威爾遜在1970年10月27日以文字形式批准了E1A時,他強調了E1A與加州理工學院的實驗可以研究的重要物理學問題,沒有(並不出人意料)提到中性流。他同時催促克萊因將更多國家加速器實驗室的陳述材料帶入實驗中並明確他對此實驗領域的計劃。[5]在這一點上,11月初在哈佛召開的另一個E1A中微子會議充分證明:「戴夫通過展示中微子束以及區域的佈局開始……加州理工學院人員會研究μ介子裝置旁邊的接地屏蔽的孔隙,我們擁有自己的中微子研究區域。」[6]

魯比亞繼續概述巨大熱量計的計劃:費用、規格以及電子設備。曼恩檢查了每個研究組所預計的工作量:哈佛負責熱量計;賓夕法尼亞負責室;威斯康辛負責磁體與中微子束。整合這樣大量的努力投入需要管理技術以及對物理學知識的掌握。主要的協作者必須要挑選他們在國家加速器實驗室的同事,安排從各機構獲取資金支持,並且向原子能委員會申請重新分配實驗經費。[7]

實驗人員設定基本計劃不久後,現場建設施工開始。探測器所需元件開始從各個參與實驗的實驗室運抵巴達維亞。在賓夕法尼亞大學的物理學家與技術人員建造、測試,並將一些前期的火花室運抵國家加速器實驗室;哈佛的研究組組裝熱量計;威斯康辛的研究人員負責組裝大型磁體。[8]在工地現場需要組裝、測試,並調試產自各個實驗室以及工廠的零件。

甚至分別運行的零件可能無法組裝到儀器。出現磁體短路、塑料閃爍體損壞、光電管失靈等問題都必須修理或更換。自然因素也不是一直都配合。令實驗人員煩惱不已的是,鳥類會在火花室上排放糞便,並且老鼠會啃食輸氣管線作為它們「最後的晚餐」。曼恩僱用了一名來自賓夕法尼亞大學的研究生——弗雷德·梅辛(Fred Messing),以及一名博士後學生——理查德·伊姆利(Richard Imlay),加入這個項目的工作。勞倫斯·蘇拉克(Lawrence Sulak),一名哈佛大學的助理教授,由魯比亞帶入此協作團隊,偶爾會出現負責監控熱量計的進展;阿爾貝托·本韋努蒂(Alberto Benvenuti)被派駐在威斯康辛大學,但卻頻繁來到初期的實驗室;並且曼恩時刻關注著裝置的建造(見圖4.35)。甚至這些早期的測試都與我們對於實驗是如何結束所作出的解釋有關,因為通過這些連續的測試,協作團隊開始得到了信心:元件開始運行並且開始瞭解它們的特質——敏感度的範圍以及失效的頻率。通常地,一項測試會涉及親身在已經建立好的探測器旁邊放置一個新的探測器,兩者會受到同樣的刺激,然後比較它們的探測結果(見圖4.36)。在日益增加的探測器周圍,工程師、科學家以及施工人員將伊利諾伊州的農田變成了國家加速器實驗室(見圖4.37)。

圖4.35 正在建設中的E1A。國家加速器實驗室,巴達維亞,伊利諾伊州。1971年7月20日。只有房屋框架與磁體工件就位。來源:NAL 71-579-1。

圖4.36 測試雙間隙火花室。這張寶麗來照片是從一次完成典型的儀器測試中得出的一部分證據。曼恩與賓夕法尼亞研究組已經組裝好了新的火花室,只有在被宇宙射線穿過時才會點火。通過比較不同火花室之間的相互反應,以及與已經檢驗過的計數器的比較,為此新的儀器頒發合格證書。來源:AMP.

圖4.37 在建中的國家加速器實驗室,巴達維亞,伊利諾伊州,1971年7月29日。當哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室協作團隊組裝E1A時,國家加速器實驗室正處於建設中,如此圖所示。可以看到E1A位於最顯著的位置;光束線與左上角的大圓圈相切。來源:NAL T71-259。

正當實驗者深陷於具體的材料細節中時,理論家已經轉向規範理論最為細微的環節:它們的可重正化性。赫拉德·特霍夫特的格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論的重正化證明重新開啟了對統一規範理論的興趣,並且再一次地,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室(國家加速器實驗室正處於建設中)與加爾加梅勒協作團隊齊頭並進。然而在瑞士,朱米諾、普蘭吉以及蓋拉德已經與實驗人員討論新理論的影響。在特霍夫特的證明發佈後,溫伯格開始計算一些他所提出的理論的實驗結果,那是之前看似不值得進行的計算。用溫伯格的話來說:

現在我們有弱相互作用於電磁相互作用全面的量子場理論,從物理學與數學角度與量子電動力學在同樣的意義上符合大家的要求,是以同一立場看待光子與中間(矢量)玻色子的理論,基於一個精密的對稱性原理,使能夠進行任何需要的精確度的計算。為了測試這個理論,解決中性流存在性這一問題變得十分緊迫。[9]

溫伯格發佈了給出中性流類型事件的預期數量的計算結果。此外,他從麻省理工給身在哈佛的魯比亞打電話,告知對於哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室研究組來說研究如今激動人心的無μ介子事件是多麼的重要。魯比亞回憶道:

斯蒂夫·溫伯格有著罕見的毅力,一直敦促我及許多其他人員進行中性流的研究。我直接從他那裡學到了所有這些關於規範理論以及中性流的知識。我仍記得當我在牛津大街44號因古老的迴旋加速器而感到沮喪時,他給我打了一個電話。起初我想,上帝啊,他想讓我思考什麼?然後我意識到那是多麼美妙的一件事。[10]

E1A很快地決定要進行此項研究。這是該實驗團隊第二次改變實驗目標,第一次是從W粒子研究變為部分子測試,現在這是變為中性流調查。新的方向與一些他們早期的興趣交織在一起並且看似可以在沒有廣泛修改裝置的條件下進行。這也給予他們額外的籌碼,有助於他們說服國家加速器實驗室的計劃委員會選擇E1A作為第一項實驗。正如他們快速地向院長羅伯特·威爾遜說明的:「最近,對於中性弱電流與中性弱中間(矢量)玻色子更為敏感的研究的需求意識不斷提高。中性弱電流的存在會對弱相互作用與電磁相互作用間的聯繫做出額外的闡釋。」要注意的是,論據首次轉向能量的規模以及可利用的力,目的是使可以發現的力的中間的一些統一的特點貌似可信。作者們繼續寫道:

隨著可以用於實驗的質心能量S1/2的增加,以及GS(G的產物——恆定不變弱相互作用特性,以及S——質心能量的面積)在量級上逐漸向α靠近(恆定不變的電磁相互作用特性),發現這樣的聯繫的可能性變得愈發現實。我們現在可能與奧斯特、安培以及法拉第等人在150年前所處的位置類似,就像他們試圖得出電與磁之間的聯繫那樣。

在那時,實驗人員只是會一帶而過地提到重正化這一理論家主要感興趣的理論特色。

我們與其他人一起,已經觀察到針對最近一個可重正化的敏感型測試弱相互作用理論,可能會通過比較觀察到的強子中性流與荷電流的比率來進行。不同的模型會導致在中性流與荷電流比例的預期值出現偏差,但≤0.01的數值會很難適合該理論。[11]

觸發電子裝置必須立刻重新設計以便探測器能夠在強子能量高於熱量計所設定的某一最小值或μ介子進入μ介子分光儀時啟動。魯比亞後來評論道,他贊成將觸發器應用到實驗中去,「並不是我事先決定的,而是因為斯蒂夫·溫伯格給了我一個很好的理由去支持它」。[12]觸發器的實際建設是拉裡·蘇拉克在此項目上獨立承擔的第一個任務。除了組裝電子裝置這一眼下的問題以外,蘇拉克將全部精力都投入到中性流的研究上。[13]


註釋

[1] Cline,Mann,and Rubbia,「Weak Intermediate Boson,」Phys.Rev.Lett.25(1970):1309-1312.

[2] Mann to Wilson,14 August 1970.Related documents:Wilson to Mann.25 August 1970;Wilson to Barish,9 September 1970.All in Program Committee files on EIA.director\'s office.FNAL.

[3] R.R.Wilson to Cline,27 October 1970.Program Committee files on E1A,director\'s office,FNAL.

[4] Reeder et al.,「Minutes,」3 October 1970,Reeder,personal papers.

[5] Wilson to Cline,27 October 1970,AMP.

[6] Cline et al.,「Minutes,」7 November 1970,Reeder,personal papers.

[7] Cline et al.,「Minutes,」7 November 1970,Reeder,personal papers.

[8] Projected completion dates,costs,and suppliers are given in〔Pilcher and Rubbia〕,「Time Schedule,」HUEP-18,ca.July 1971.

[9] Weinberg,「Unified Theory,」Rev.Mod.Phys.52(1980):518.

[10] Rubbia,interview,3 October 1980.

[11] Benvenuti et al.to R.R.Wilson,14 March 1972,AMP.

[12] Rubbia,interview,3 October 1980.

[13] Sulak,interview,8 September 1980.