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解除終結

在國家加速器實驗室裡,E1A的研究才剛剛開始。由於四種情況的產生,克萊茵和曼恩對投給《物理評論快報》的論文產生了嚴重的不信任感。首先,在麥迪遜推導出來的4000億電子伏數據顯示,中性流和荷電流的比值較小,這令人感到憂慮。其次,克萊茵並無證據可以證明新的結果具有足夠的說服力,以至於可以反駁那些具有極低限制的奇異性變化中性流過程實驗。1973年夏天,他對中性流的精確範圍進行了不合理的預期。再次,鑒於新裝置使用中的不確定性問題以及μ介子的廣角問題,在新的結果中試圖進行深度檢查也是很自然的。最後,曼恩意識到,整個實驗可以進行方式的改進,迅速地重做,但這與裝置的規格和裝置更改伴隨的難題是無法協調的。克萊茵、曼恩和國家加速器實驗室的其他研究人員們暫時將全部的注意力都轉向了探測器的重新調整上。隨著會議報告的完成,研究團隊將論文的編撰置於了次要的位置。

與此同時,E1A在9月想辦法為餘下幾個月至次年初期間獲得了大量的運行時間。[1]通過幾次改進後,克萊茵進行了樂觀的預期,預計他們可以提高事件探測的效率,獲得更為精確的位置測量值,最重要的一點在於破除了μ介子廣角的詛咒。為了解決廣角的問題,研究小組以兩種方式對裝置進行了改進。首先,他們在熱量計第16段和4號火花室(SC4)之間安置了一塊新的13英吋厚的鋼護板,尺寸為12×12英尺(見圖4.41)。原則上而言,鋼護板和熱量計的下游段應該會阻止所有強子進入SC4。因此,憑借鋼護板在恰當位置上的作用,只有μ介子可以到達SC4和計數器B。這一新調整有效地將SC4和計數器B這兩件裝置轉化為μ介子探測器的首要構件。這一任務原先是由5號火花室和計數器C來完成的。由於SC4距離時間產生的目標處和熱量計位置相對要近得多,可以檢測出更多的廣角μ介子(見圖4.42)。其次,由圖4.41中可以看出,之前在μ介子光譜儀中使用的較小的寬距火花室是如何被較大的窄距火花室所替代的。更換後的火花室規格較大,對角也較大。對於計數器C而言亦是如此,當它的規模變大後,可以捕獲更多的無定向μ介子。

圖4.41 兩台E1A的改進前後對比(上圖)。圖4.34中描述的更改前的裝置(下圖)。1973年秋季建造的新裝置,使用4號火花室(之前是第一階段的一部分)在較之前更廣的角度內捕獲μ介子。為了將強子分離出來,研究小組在SC4前方放置了一塊13英吋厚的鋼護板。μ介子探測器中放置的其他離子過濾板的厚度為4英尺。來源:Aubert et al.,「Further Observation,」Phys.Rev.Lett.32(1974):1455.

圖4.42 圖4.41中廣角陷阱的細節圖。SC4捕獲了之前使用SC5才可能捕獲的廣角μ介子。而且SC5和計數器C的規模擴大也對廣角μ介子的記錄起到了幫助性作用。

憑藉著這些創新,當時物理學家們實驗所需的花費貌似並不高。強子護板之前是由更厚的鐵板(4英尺)組成的,可以屏蔽通過SC5的上行流。雖然如此,但若不將SC4(和計數器B)向下行方向推移,以消除它們捕獲廣角μ介子的目的作用,那這樣的厚物質是無法嵌入熱量計第16段和SC4之間的。1973年9月28日,研究人員對新裝置進行了首次試運行,之後克萊茵很快撰寫了一份備忘錄,在其中對這一更改進行了這樣的評論:

放置在熱量計後方的新的鐵塊在減少通過(計數器B和4號火花室)的強子方面十分有效。雖然小部分事件顯示出了穿透結果,但這一比例要小於20%……為了確定這一結論的可信性,仍需對數據進行更多的研究。[2]

很遺憾,在數個月的時間裡,從量化方面而言人們並沒有瞭解到這一點:鋼護板的厚度不足,無法有效地減少強子的穿透數量。這是一個決定性的問題。若強子穿透鐵板,即便在頂點並未出現μ介子,該事件也將被記錄為荷電流事件(見圖4.43)。

圖4.43 穿通現象。在插入了13英吋厚的鋼護板之後,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室小組逐漸意識到,在解決一個背景問題的同時他們在不經意間又引發了另一個問題。強子可以通過鋼板進入μ介子光譜儀的第一階段,使得「真正的」中性流事件也貌似是μ介子。

鑒於實驗者們並未對「穿通現象」進行足夠的補救,中性流信號消失了。精確預測之所以不適用於強子穿通現象,是與加爾加梅勒小組對中子相互作用長度的艱難計算相關的。兩個問題都涉及穿透粒子相互作用較強的物質。強烈的相互作用表明,其中涉及的問題較廣為人知的電磁相互作用而言難度要大得多,例如μ介子在物質中的軌跡問題。中微子相互作用產生的強子能量和動量分佈相關優秀數據的缺失加劇了這一問題。需要記住的是,這是對高能中微子反應的首次觀察,對反應產物的構成成分還沒有進行研究。鑒於穿通現象並非早期實驗中的主要問題,一開始研究人員並未意識到薄的鋼護板使問題變得嚴峻了。研究人員使用儀器的習慣十分頑固,很難改變。

我們不該認為研究小組成員們是在單槍匹馬地行動。不同的成員尋找的論證方式也不盡相同。穿通現象的計算機模擬以及廣角μ介子並不是克萊茵所尋找的目標。正如他之前進行的稀有K介子衰變研究一樣,很明顯,克萊茵更能夠接受基於「鍍金事件」(gold-ploted events)的論證,它們本身就是一種效應的確鑿證據。從這一點來說,他的方法與歐洲核子中心電子研究小組的方法十分類似。因此,對於他而言,繼續在E1A尋找同樣類型的中性流證據也是再自然不過的了。克萊茵從數據帶中提取出了頂點信息,以便對特定事件進行檢查。其中一個事件引起了他的興趣,這是一個單一事件,是基準量中的死點,它逃過了位置和能量的削減(見圖4.44)。在給同事的信中,克萊茵這樣寫道:

圖4.44 克萊茵「鍍金事件」的候選數據。來源:Cline,「Revised E1A Detector,」Wisconsin,TM,1 October 1973.

研究我們預期的中點(x,y)無μ介子事件的可能性是十分有趣的……(其他的兩個事件離基準區域的邊緣過近,不可能是鍍金事件)我們期望可以發現……一個事件。由此,很遺憾,這一事件的可能性是存在的,我們還未能發現鍍金事件。[3]

通過類似的推論,克萊茵在之後發佈了備忘錄,記載了雲室中產生的小塊電子-中微子污染物產生電子的事件。克萊茵複製了其中的一個單一電子事件,並向他的同事建議尋找這些稀有事件,通過謹慎的研究瞭解弱相互作用的各個方面。對於這些單個電子而言,克萊茵這樣寫道:「它們是真正的無(μ介子)事件,在正確層面上對這些事件進行觀察將對(少部分層面上的無μ介子事件使用的)探測器的校準起到幫助性作用。」[4]

克萊茵的研究風格——尋找「閃閃發光的例證」——帶來的一個必然結果是他對最初論文的統計學方法基礎並沒有特別的信心。[5]沒有了討論現象的確切範例,於他而言這樣的計算機模擬在固定不同參數(如中微子束和μ介子角分佈的特性)的過程中,很容易受到誤差的影響。曼恩也因為蒙特卡羅法令人苦惱的可撓性而感到不安。針對1937年9月的模擬實驗,弗雷德·梅辛在給他之前的論文導師的回信中表示:「在曼恩返回的時候,我回想起來,他的反應就如同吃了不新鮮的海鮮一樣。在最開始吃起來味道不對,隨著時間推移,胃也越來越覺得不舒服了。」[6]簡單而言,曼恩感到研究人員對可信的實驗參數的細小改變過於敏感了。[7]

毫無疑問,迄今為止產生的數據量反映出要發現黃金事件的嘗試已經落空了,此後克萊茵又針對中性流的存在與否多次表示質疑。在初期的備忘錄中,他對無μ介子事件的尋找興趣進行了回顧,這可能是源於實驗中W的產物和衰變。這一可能性與當時的格拉肖-溫伯格-薩拉姆能量理論完全矛盾。在之後的10月11日,克萊茵首次指出,E1A與歐洲核子中心的發表結果間不再具有物理學一致性。[8]他的計算較為粗略,使用了兩個粗略的數據:唐納德·裡德曾計算出μ介子的檢測效率為83%,而T.Y.林(Ta-yung Ling)預計13%的強子通過了鋼護板。13%這一數值不到最終確定值的一半,大幅度地降低了計算出的過量無μ介子事件的數量。簡而言之,穿過鋼護板的介子比物理學家預想的要多,他們將許多「真正的」無μ介子事件算作了荷電流事件。

鑒於多種原因,在人們進行嚴密的計算之前,對穿通現象的較低預測持續了一段時間。其中一部分原因在於強子的穿通現象在之前並未被認作是由厚鐵板引起的問題。這一較低的預測之所以能存在一段時間,是由於對強子在鐵板中快速移動時產生的相互作用仍無良好的測量值或理論性對待,由於中微子相互作用產生的介子缺少能量分佈,這一問題更加嚴峻了。但是,這一問題在最初雖然貌似只是純粹的技術性問題,其實也有社會學方面的因素。為了展示研究數據,研究小組承受了巨大的壓力。此外,小組的數位成員現在是為了發現他們想要發現的目標,如同多年前的愛因斯坦和密立根一樣,一出現預期的答案,他們就試圖結束對問題的研究。

在1973年10月11日的備忘錄中,克萊茵為0.07這一R值(NC與CC的比值)賦予了90%的置信界限,為0.21這一值賦予了99%的置信上限。他總結道:「由表面來看,這些結果同歐洲核子中心的(中微子和反中微子)混合光束測量值R=0.28±0.03並不一致。很明顯問題還是在於,100次實驗中的1次或者其他哪裡出現了錯誤。」其他哪裡出現了錯誤,但是為了確定錯誤所在,小組還需要額外的兩個月時間才能完成。

與此同時,壓力又增多了。隨著小組獲得中性流確切值的速度越來越快,克萊茵越來越無法安睡了。在當年的10月16日,他又分發了一份新的備忘錄:

(1)鑒於中性流問題的重要性,事實是我們之前一直將關注點放在了這一主題上,而世界上其他的研究小組正在飛速地針對我們和歐洲核子中心的結果進行檢查,我建議11月上旬在國家加速器實驗室對(無μ介子)事件進行迅速而統一的分析。……

(2)在11月末,我們的實驗室運轉計劃出現了改變,現在是將運行時間插入到E21(加州理工-國家加速器實驗室實驗)中。鑒於在接下來的一兩周中,他們可能提交實驗建議,我猜想這一次是用於(無μ介子)事件的查找。這再一次證明我們有必要加快分析,趕在別人前面將這個問題解決。[9]

就在同一天,即1973年10月16日,哈佛論文中心給出的審稿人報告由《物理評論快報》返回給了蘇拉克。[10]兩名匿名審稿人均表示,為了釐清廣角μ介子問題,文章還需要進行修改。正如我們所見,二人均對使用的統計資料進行了批評,認為文章在發表之前還需要更為保守的方法。然而,當時魯比亞正在國外,蘇拉克身處哈佛,而克萊茵和曼恩的精力都投注到了改進後的實驗中。在之後的幾個月裡,幾位物理學家都沒有對審稿人的評論進行回復。

審稿人並非是唯一對哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室分析存有質疑態度的人。歐洲科學家伯納德·奧貝特曾與加爾加梅勒小組共同進行過研究,直至8月才轉移到E1A。他報告稱,他已經花費了部分時間,針對歐洲中微子物理學家的批評對美國的實驗進行維護。據他稱,E1A「之所以缺少公信度,主要是由於(歐洲物理學家)並不知道,我們(對μ介子能量和強子能量)進行了多麼好的測量,他們認為我們的結果大多是源於猜想而非對(這兩種能量)不確定性(比值)的測量」。[11]

當年11月中旬,曼恩和克萊茵確定了新的結果肯定無法作為中性流的證據使用。魯比亞對此也表示了認可。隨後曼恩根據這一點撰寫了一篇簡報,投稿給《物理評論快報》。這一文章旨在取代之前已投至該期刊、等待改進實驗結果的那篇文章。雖然這一篇無中性流文章並未能真正提交,它確實對當時研究群體的觀點進行了概括(見圖4.45)。部分摘要內容如下:

根據觀察,對於濃縮反中微子束的特定情況而言,無μ介子事件與有μ介子事件的比率為0.05±0.05。這一結果與近期歐洲核子中心進行的觀察和溫伯格模型的預期情況並不一致。[12]

圖4.45 無中性流文章的初稿(1973年11月)。在這一投稿給《物理評論快報》的簡報文章中,E1A的校長斷言稱,在格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論層面,E1A並未發現中性流存在性的證據。這篇文章並未發表。來源:AMP.

對於新結果的公佈方式和公佈時間,眾人的意見並不一致。曼恩認為小組應該等一等再披露結果。[13]魯比亞和克萊茵則分別與小組以外的人探討過研究結果的進展。1973年12月,魯比亞回到歐洲核子中心時,他和很多人進行了談話,包括繆塞、拉加裡格、魯塞、延奇克等。[14]到了這時,加爾加梅勒小組自然已經發表了研究結果,認為中性流是存在的。歐洲核子中心的管理部門對此表示出了關切。

延奇克當時擔任歐洲核子中心總所長一職,他在加爾加梅勒小組中召開了一次會議,仔細詢問小組的實驗情況。延奇克擔心,研究中心會因為美國科學家即將發表的研究成果而陷入尷尬的輿論狀況中。加爾加梅勒小組不會放棄,他們對此仍給予著深切關注。[15]繆塞和維來爾傳閱了一份備忘錄,建議小組不再將重點放在溫伯格理論上,而是加倍努力對相關事件進行研究。備忘錄的開頭部分是這樣的:

親愛的朋友們:

在上次中性流會議之後,各位可能已經聽說了這樣的傳聞:巴達維亞的研究小組使用略微改進過的裝置(安裝於1英尺厚鐵板後的μ介子計數器)和聚焦喇叭研究(反中微子)運行,發現了寬頻帶光束的新結果。(μ介子)探測的效率較之前有了提高,研究結果很明顯缺少中性流型事件。

在不久的將來,我們將對自己實驗的可靠性產生深刻的質疑。

除了這些新的傳言,較對sin2θw的精確測量而言,瞭解中性流事件是否可以通過不重要的背景進行模擬,如中微子感應中子,這一點是更重要的。[16]

在國家加速器實驗室,不僅是理查德·伊姆利,連奧貝特、T.Y.林和蘇拉克也幾乎將所有的時間都用在了穿通現象的研究上。初步結果顯示,這一效應較開始預想的要強(因此中性流也更多)。[17]估計值會更高,但不會持續幾周。

當非中性流論文初稿完成時,曼恩寫信給研究中心小組,通報了結果。[18]曼恩、克萊茵和魯比亞在上面簽了名。但是,在信件寄出前,作者們(曼恩、克萊茵、魯比亞和裡德)與當時的國家加速器實驗室負責人羅伯特·威爾遜進行了商談。威爾遜建議他們等到實驗結束再公佈結果。[19]因此這封信並未正式寄出,但是魯比亞將未簽字的副本交給了原定的收信人拉加裡格,這一副本現在還在拉加裡格的論文中。信件被放置在他的辦公室中,很明顯是一份復件,加爾加梅勒小組的多位成員手上都有信件的復件,或者曾見過這封信件(見圖4.46)。

這封驚人的信件的結語內容是修正後的無μ介子荷電流事件比率:

如同0.05±0.05一樣,式子從統計學上來說與0很難區分。由穿通現象得以對廣角μ介子進行更好的控制,這需要比預期更高的代價。

圖4.46 1937年11月13日E1A研究小組給拉加裡格的信。這封信並未寄出,但是魯比亞將未簽名的副本交給了拉加裡格,之後歐洲核子中心的多名成員都見到了這封信。來源:AMP,參見第311頁腳注2。

到了11月初,為了確定穿通現象僅僅進行了最簡單的嘗試。克萊茵在中性流論文初稿的復件空白處草草寫就了一些文字:「伊姆利做一下這個(穿通現象)計算」。(博士後們由他們的前輩那裡獲得了這樣的簡單指示。)除了不確定性以外,對穿通現象概率的不同測量方法在最開始獲取了不同的結果。幾個例子一定能夠滿足要求。1973年11月末,蘇拉克測量了一定的荷電流事件——鋼護板下行方向的SC5中出現多個火花——次數的比率(見圖4.41)。鑒於其中應該只有一個火花是由μ介子引起的,蘇拉克推測其他的火花必定是強子穿透護板時引起的。之後,他計算了SC5中僅出現一次火花的荷電流事件的次數。[20]兩個數量的比值近似於可以穿透鋼板的強子簇射的百分比。假設這一比值等於無μ介子事件的比值,蘇拉克可以大概推論出穿通引起的「虛假的」荷電流事件的次數。這個方法有一個問題,單個火花通常不會明顯地出現。另一個問題是兩台立體相機給出的結果間具有分歧:x視角給出的穿通比率為15%,而y視角給出的值為30%。

這是蘇拉克的另一種論證:荷電流事件與中性流事件的次數可以作為探測器的縱向位置函數進行測量。他發現,隨著下行荷電流事件數量增加,而中性流事件的數量出現了減少。按照之前對「真正的」中微子事件的預期,荷電流和中性流事件的總數是恆定的位置函數。但是數據解釋是多麼難以捉摸啊!對於對中性流存在性進行支持性論證的蘇拉克而言,如果強子穿透了鋼板,那麼中性流事件的減少正是預期的效果,這是因為鋼板附近產生的強子的能量比較遠的上行方向上產生的能量要多,因此更具能量的粒子才可以更多地穿透防護板。它們被(錯誤地)認作是荷電流事件。但是,假設同克萊茵和曼恩一樣,在這個階段主要擔憂的是廣角μ介子的研究角逐,那麼你會認為「最安全的」事件是鋼板上行方向發生的事件,其中幾乎所有的μ介子都無法逃脫探測器的檢測。僅僅在這個「確定的」區域內沒有發現中性流。你的結論與蘇拉克的將會不一致。所以,當他以這樣的語句結束備忘錄時他想要表達的諷刺含義可能更多:「這就是所有的數據了,結論就留給讀者去總結吧!」[21]

這些對蘇拉克的闡釋的反對意見並不是歷史學家捏造出來的。福特和曼恩遵從了這一論證,通過推算鋼板上行方向的最後一段,試圖避免廣角μ介子的出現,從而確定了真正的R值。[22]與此相反,他們無意中選擇了從位置上來說最容易造成穿通強子的事件。從當下來看,他們能在11月發現這一數值也就不是什麼令人驚訝的事了:

他們得出的R值與計劃投稿給《物理評論快報》無μ介子事件論文中的值具有完美的契合度。

伊姆利之前的實驗[23]是基於對介子穿透性的測量,1973年12月6日,克萊茵對伊姆利的穿通研究和之後的一項研究進行了概括,在國家加速器實驗室面向對這一問題最為關注的科學家們進行了演講。在演講中,他講述了自己和同事們是如何確定了幾何效率和穿通現象的不同參數,並將最終結論確定為:R的範圍是0.05至0.15之間。這一值小於歐洲核子中心的數據和規範理論的預期值。克萊茵直言不諱地以大屏幕形式展示了最終的透明性,如圖4.47所示,並附上了這一段話:

圖4.47 宣告不存在中性流。對克萊茵1973年12月6日在費米實驗室進行的穿透性演講的總結。來源:Cline,「Data at NAL Talk,」Wisconsin,TM,13 December 1973.

(1)R′的值很可能過小,以至於無法與溫伯格模型和帕斯克斯、沃爾芬斯泰因所推導的此模型下限保持一致,如果這是由溫伯格模型引起的,那麼也無法與核子研究中心的數據保持一致。能量依賴性還是一個漏洞。

做出這些評論時,克萊茵還提出了這種可能性:核子研究中心和加速器實驗室之間的分歧可能是由中微子能量的不同引起的,之後一些小組成員也考慮到了這一可能性。換言之,某些無μ介子過程可能發生在核子研究中心,但巴達維亞並未發生這一過程。儘管現在看來這樣的假設完全是有目的性的,但在當時而言,研究人員對中微子-夸克相互作用動力學的計算並沒有充分的信心,即便在數年之後這種假設的驚人程度仍然遠遠沒有達到預期的程度。在演講中,克萊茵又做出了這樣的闡釋:

(2)E1A首次實驗中得到的R′=0.29±0.09一值在當前的實驗中沒有得到確認,該實驗中(x,y)頂點重構的不確定性可能是問題所在,然而其中仍然存在著漏洞。[24]

隨著新相機的添加,立體照片可以給出更為精確的頂點位置。結果改進後的照片中改變微乎其微,但是當時克萊茵等人認為,新的光學器件可能正是對舊的「之前中性流」結果的一種解釋。通過對中性流理論預測和測量儀表安排的誹謗中傷,克萊茵為E1A的新結論留下了餘地。如同未決的審判一樣,這個問題可以留待日後再行解決。


註釋

[1] 克萊因,「探測器修正,」TM,威期康辛,未標日期,約於1973年晚夏,確定於9月29日之前,克萊因在後來提及這個日期。

[2] Cline,「Revised E1A Detector,」TM,Wisconsin,1 October 1973.

[3] Cline,「Revised E1A Detector,」TM,Wisconsin,1 October 1973.

[4] Cline and Ling,「Electron Neutrino,」TM,Wisconsin,13 November 1973.

[5] Cline,interview,14 January 1981.

[6] Messing to author,22 May 1984.新的實驗結束後不久梅辛寫道:「早期版本的熱量計……導致了一個低精度的測試結果……產生了不確定的背景……模仿中性電流。參見Messing,thesis(1975),12.

[7] Mann,interview,29 September 1980.

[8] Cline,「Statistical Analysis,」TM,Wisconsin,11 October 1973.

[9] Cline,「Unified Analysis,」TM,Wisconsin,16 October 1973.

[10] Anonymous,referee report on Benvenuti et al.,「Observation,」Phys.Rev.Lett.(1973).

[11] Aubert to neutrino collaboration at NAL,16 October 1973,Aubert papers.

[12] Aubert el al.,「Search for Neutrino Induced Events without a Muon in the Final State.」內容未標日期,但指的是日期為1973年11月13日的書信(以下會提及),因此大約寫於是在1973年11月的第二周。AMP.

[13] Mann,interview,29 September 1980.

[14] Musset,interview,26 November 1980;Rousset,interview,30 November 1980.

[15] Rousset,interview,30 November 1980.

[16] Musset and Vialle,「Gargamelle Collaboration,」TM,CERN-TCL,20 November 1973.

[17] Imlay,「Punchthrough,」TM,Wisconsin,29 November 1973.

[18] D.Cline,A.K.Mann,D.D.Reeder,and C.Rubbia to A.Lagarrigue,13 November 1973,signed by Cline,Mann,and Rubbia.簽名的版本在AMP,未簽名的版本保存在拉加裡格在奧爾賽的科學論文裡。

[19] Mann,interview,29 September 1980.

[20] Sulak,「Study of Run,」TM,Harvard,17 November 1973.

[21] Sulak,「Study of Run,」TM,Harvard,17 November 1973.

[22] Ford and Mann,「Method to Find Rcorr,」TM,Pennsylvania,28 November 1973.

[23] Imlay,「Punchthrough,」TM,Wisconsin,29 November 1973.

[24] 克萊因1973年12月6日的訪談之幻燈片,複製於「Data at NAL Talk,」TM,Wisconsin,13 December 1973.