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首批數據

從火花室中得出的數據慢慢地進入儀器追蹤器(見圖4.38和圖4.39)。第一個2000億電子伏的質子束直到1972年3月才成功地穿過國家加速器實驗室的管線,[1]並且可用的中微子束直到1972年感恩節前後才給出數據,然後就是在一段時間之後的聖誕節前後。在兩次運行之間,能量觸發器截獲了大約150個需要檢查的事件。起初,威斯康辛研究組依靠蘇拉克乘坐飛機前來提供的幫助對數據進行評估。然而,很快地,膠片開始陸續抵達哈佛,對於實驗的第一部分來說(一直到1973年8月),成為了中性流研究的焦點。

圖4.38 在費米國家加速器實驗室操作追蹤器,1975年。這張用於E1A的拖車操作圖片拍攝於E1A後續實驗中,在首次實驗結束不久後。然後,大多數設備仍是一樣的。來源:Fermilab photograph 75-365-6A

圖4.39 完工後的E1A,1973年。中微子從遠端的牆壁進入並撞擊目標/閃爍體(物理學家蹲在上面)。除非μ介子以特別大的角度脫離,否則在磁體/火花室組合最顯著的位置還是能探測到μ介子。來源:NAL 73-255-3。見原理圖(圖4.40)。

幾乎就在E1A團隊安裝好能量觸發器的同時,一張張圖片開始顯示不含μ介子的事件(與圖4.2所複製的那張圖片相似)。很久以後,該協作團隊人員一致同意這些圖片中的很大一部分都顯示出弱中性流。但在當時,至少有一些成員對這些圖片有十分不同的解讀。曼恩就此評論道:

你們可以說我們很快地得出結論:我們看到了弱中性流。但你們一定會感到驚訝,這是我們得出的最後一個結論。我們得出的第一個結論是我們正在犯一些錯誤;這些μ介子是以某種方法逃離設備或者是我們以某種方式錯過的;以及不可能存在那麼大程度的影響。[2]

用理論去劃分一個有趣的問題是一回事,而相信實驗的結果是另一回事。如我們所看到的細節所展示的那樣,很多人不願意去相信中性流的存在。為了在這一點上領會實驗人員的意圖,讀者必須銘記克萊因、曼恩[3]以及許多其他E1A的參與者非常認真地看待K介子物理學中無中性流的結果。一個據顯示以百萬分之一的概率存在於某個領域的效應,很難期待能夠在其他領域出現的概率為四分之一或五分之一。我無法過於頻繁地強調只有在很久以後才會接受E1A與加爾加梅勒研究的中性流,在奇異性可變的過程中會受到嚴重的抑制但在奇異性守恆的事件中則會不受抑制的結論。因此,對於憑借在剛剛建造完畢的加速器上安裝的未經證實的探測器來探索未知能源的實驗人員來說,推斷一些誤差會使不含μ介子的事件與含有μ介子的事件比率超過30%。

結果,在1973年春季,曼恩和克萊因主要關注對荷電流事件的物理學知識以及最初被設定為E1A實驗目標的項目的理解。他們推斷荷電流事件會產生關於探測器性能以及荷電流事件本身的信息。有這麼多方面的光束、探測器以及物理學知識尚未被完全理解,所以細緻的荷電流研究對於研究任何一個新的物理學知識都是一個必要的先決條件,包括中性流、重輕子,以及標度不變性違逆。E1A初步的努力以在《物理評論快報》發表的一篇題為《在高能量條件對中微子與反中微子事件的早期觀察》(「Early Observation of Neutrino and Antineutrino Events at High Energies」)的論文宣告結束。[4]

同時,在1973年春季,蘇拉克研究了從加工實驗室發回的膠片。有幾位本科生協助他工作,並且該小組一直與魯比亞保持聯繫,多次往返於歐洲核子中心以及哈佛大學。根據電腦磁帶中的內容,蘇拉克確定了事件膠片的幀數,在這些事件中,超過最小值的能量儲存於熱量計中。然後,在哈佛萊曼實驗室一間位於四樓的房間內,蘇拉克與那些本科學士在一台高精度膠片投影機中逐幀地注視所有照片,從荷電流事件中挑選出不含μ介子的事件並對兩者展開測量工作。[5]

如圖4.40所示的μ介子脫離是他們首要關心的問題。因為任何單獨的無μ介子事件實際上可能會涉及一個μ介子以很大的角度偏離熱量計,對此哈佛研究組創建一套電腦模擬程序來模擬大角度移動的μ介子。通過預計不會到達μ介子分光儀的μ介子數與測定的不含μ介子事件的數量的比較,他們就可以確定是否存在統計上顯著過量的中性備選。共有兩個蒙特卡羅模擬程序,一個位於威斯康辛,而另一個則位於哈佛,它們通過利用理論的(部分子模型)μ介子在荷電流事件中的角向分佈模擬了μ介子的分佈。[6]

圖4.40 正在脫離的μ介子。從哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室的中性流研究的開始,主要的擔憂就是μ介子會在μ介子分光儀中以很大角度的偏離而逃過探測。該事件會因此看上去像不產生任何μ介子的中性流事件。

當蒙特卡羅模擬的結果即將公佈並與首批圖片比較時,很明顯可以看出存在過量的無μ介子事件。經過修正後,電腦生成的比率R為[7]

其中NC是中性流備選的數量,CC是荷電流事件的數量。在1973年6月和7月,蘇拉克與那幾位本科生在為《物理評論快報》準備一篇文章。與此同時,在國家加速器實驗室,威廉姆·福特(William Ford)——一位賓西法尼亞大學的助理教授,以及其他相關人員開始研究光束能量為4000億電子伏的情況下收集到的數據。這些結果會稍後得出,因此並不沒有包括在首批無μ介子事件分析中。福特的實驗晚於哈佛研究組。因此,當論文在7月末等待最終發表時,與能量為3000億電子伏時相比,能量為4000億電子伏時,存在的數據量僅為前者的一半,但所有的數據均一致。蘇拉克將原稿交給曼恩。曼恩、福特以及克萊因一致同意此論文發表。

所有美國方面實驗的參與者在1973年春季末期均在埋頭苦幹,因為他們清楚地知道歐洲核子中心正在搜集關於弱中性流的證據。美國得到的情報來自於魯比亞,他定期往返於歐洲核子中心與美國,以及其他經由國家加速器實驗室來到歐洲核子中心研究組的相關人員。在1973年7月17日,魯比亞單獨給拉加裡格寫了一封信,告知他來自巴達維亞的最近消息:

我從歐洲核子中心的幾名人員那裡聽到您在加爾加梅勒的中微子實驗,除美妙的電子事件以外,目前針對強子中性流有著越來越多的證據。

我們在國家加速器實驗室已經觀察到大約100個明確的此類事件,並且我們正處在最終撰寫結論報告的階段。考慮到結論的重要性,我寫信給您以便瞭解在公佈我們的結論時是否應該提到您現有關於強子處理所做的工作(如果提及,應以哪種形式)。在這種情況下,我希望您也能採取類似的態度看待我們的工作。

我目前正要出發前往美國。在本週末前的任何時候您都可以在哈佛聯繫到我。我會在下周攜帶論文的最終版本回到歐洲核子中心,到那時我會立刻將此論文轉發給您一份。[8]

拉加裡格第二天拒絕了魯比亞的請求,禮貌地建議結論的發佈獨立進行,無需提及其他的結論。他補充說,歐洲核子中心會在24小時之內,也就是7月19日緊跟著做出聲明。[9]

回到美國後,魯比亞馬上協助完成哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室論文的最終版本,作者們在1973年7月末和8月分發了預印本。在7月27日,魯比亞被迫離開美國後(因為移民原因),蘇拉克完成了論文的初稿,並於8月3日親自將稿件交給《物理評論快報》編輯喬治·特裡格(George Trigg)受理。[10]

同時,有相當多的理論家和實驗人員也看到了這篇論文初稿。根據他們的評論,研究組做出了一些修改。到1973年8月18日,哈佛研究組以兩種方式支持他們的論證:第一,他們按部就班地改變了許多輸入到模擬程序中參數,確保μ介子探測的效率不會受到太大的影響;他們考慮到探測器的幾何形狀、光束參數以及中微子的能量。第二,他們引入了一種新的分析方法,一種不那麼依賴於蒙特卡羅模型但涉及較少事件的方法。該想法只針對於事件中所有的軌跡都指向μ介子探測器——這種情況下他們可以預計幾乎所有的μ介子都會進入μ介子探測器中。R值為0.334±0.099。[11]

通過盡可能快的積累數據,截至1973年9月14日,該協作團隊收集了1116個3000億電子伏條件下發生的事件,幾乎是8月初事件數量的5倍。現在,他們掌握了足夠的數據能夠憑豐富的經驗來核實他們運用於蒙特卡羅程序的理論μ介子角度分佈。結論是很適合。通過進一步地將實驗結論與尚未確定的部分子模型分離開來,該研究組強化了他們關於中性流對抗可能的異議的結論。[12]他們也通過以三種不同的方式計算R值來闡釋他們的分析:他們針對軌跡被限制在一個平面很小的角度的事件確定R值,針對軌跡被限制在狹小的圓錐形區域,全部指向μ介子探測器的事件確定R值,以及針對所有的事件確定R值。

既然三種方法中,每一個都以非常不同的方式使用蒙特卡羅模擬程序,那麼數據的穩定性則表明在減少背景的方法中沒有嚴重的錯誤。[13]不同數據分析程序的一致性能夠說服高能物理學家相信存在真實的結果。一個類似的隱性論元出現在更小範疇的物理學中。在實驗台上,實驗者可以輕鬆地改變實驗條件;當所得數據仍保持一致時,實驗人員就會相信所得的結果不是僥倖。在大規模及小規模的實驗中,潛在的假設是相同的:在經歷足夠的條件變化時,任何人工的行為都會因造成不同「子實驗」的不一致而暴露自己。

儘管感到非常興奮,但在暗處仍潛藏著一種來自劍橋外部的令人不安的發展:近期麥迪遜以及費城分析結果中減少的數據產生了大大降低的R值。對於4000億電子伏的條件下所得的數據來說,威廉姆·福特發現,在最近的熱量計室中,R值僅為0.06±0.16,是零與標準差的一半。為了配合福特的結論,該研究組降低了R的平均值,從1973年8月3日的0.42±0.08到9月14日的0.20±0.09。[14]


註釋

[1] Hoddeson,「KEK and Fermilab,」Soc.Stud.Sci.13(1983):20.

[2] Mann,interview,29 September 1980.

[3] Beier et al.,「Doubly Charged Weak Currents,」Phys.Rev.Lett.29(1972):678-682.

[4] Benvenuti et al.,「Early Observation,」Phys.Rev.Lett.30(1973):1084-1087.

[5] 自1973年,早期E1A數據刪減下來的成堆的關於火花室的膠卷由雷曼實驗室的放映師保管。1986年8月份它們被銷毀。

[6] Rubbia and Sulak,「Neutrino Events,」TM,Harvard(1973).

[7] R的值參見第一版「Observation of Muonless Neutrino-induced Inelastic Interactions,」Benvenuti et al.,「『Observation,』First Version,」typescript(August 1973),由蘇拉克於1973年8月3日交於喬治·特裡格(Phys.Rev.Lett.的編輯),SuP.一份稍作修訂的版本(同時收錄在SuP),於1973年9月14日提交。有關此的清單和後續草稿參見附錄,Benvenuti et al.,「Obesrvation,」Phys.Rev.Lett.32(1974):800-803.

[8] Rubbia to Lagarrigue,17 July 1973,LSP.

[9] Lagarrigue to Rubbia,18 July 1973,LSP.

[10] Rubbia,interview,3 October 1980.Sulak,misc.notes in file:「E1A Analysis,」SuP.

[11] Sulak,「Muonless Events,」TM,Harvard,3 September 1973.

[12] Benvenuti et al.,second version of「Observation,」14 September 1973,SuP.完整的參考請見附錄。

[13] Benvenuti et al.,second version of「Observation,」14 September 1973,SuP.完整的參考請見附錄。

[14] 比較第一版(Benvenuti et al.,「Observation,」3 August 1973)與第二版(14 September 1973)中400 Gev的直方圖。