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「我沒有發現消除這些效應的方法」

我們已經瞭解到,高能物理學領域的激烈競爭是如何進行自證的。但是,1973年9月至12月這最後的幾個月裡,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室研究小組經受到的壓力成倍地增多了。他們不得不明確地選擇支持或反對中性流的存在。壓力是來自於其他的實驗家們——小組接受了加爾加梅勒同僚們的拜訪,他們為了最新成果而來。理論家們從不同的成員處獲得了不完整、非正式的進度報告,因此也對研究小組施加著壓力。後來曼恩做出了這樣的描述:

隨著結果開始顯現,我們受到的壓力越來越大,人們要求我們提供最終的答案。當你處在舞台中心時,很難向你們描述(當時的情況),特別是在高能物理學研究中,你對自己的命運都沒有十足的把握能力。你必須和同事、實驗室、負責人、項目委員會共事,必須和實驗周邊雜務相關的所有人共事。大家一再地依賴著你去產生結果,無論你是否已經準備好了。[1]

在巨大的壓力之下,小組成員們都在努力使各種計算和測量值更加完善。每個人都不得不讓自己相信事實,或者相信人造的效應。每個測量值和計算結果都有自身的弱點和優勢,相關的研究個人和子組對此具有最深的瞭解。圍繞著特定的問題,人們組成了小型協作組,然後又解散。基於來自小組外以及小組內部新證據的力量,人們的意見不斷產生著變化。1973年12月13日,克萊茵在小組中分享了一份內容新穎的備忘錄(見圖4.48):

圖4.48 克萊茵接受了中性流的存在性。圖為克萊茵的備忘錄,其中概述了接受中性流存在的原因。來源:Cline,「10%,」Wisconsin,TM,13 December 1973.

現在手邊的三項證據指向了一種明顯的可能性:數據中顯示出了階數為10%的無μ介子信號。目前我還沒有發現消除這些效應的方法。

這三項證據分別為:蒙特卡羅模型給出了0.1±0.04的R值;事件的空間分佈看似是由真正的中微子事件引起的;但是在筆者看來,對克萊茵而言最具說服力的一點是他提供的第三項證據。在20個中性流研究對像中,5個「沒有廣角軌跡的跡象」。

這些事件處在探測器的中心,(μ介子)角度必然至少有200至300摩爾,在結果中(μ介子)軌跡將清楚地與其他簇射分離開來。這一區分應該會對火花效率的提高起到幫助性作用。表面看來,對於這樣的適當角度而言,火花室效率不太可能(降至)25%。……這必定與真正的(無μ介子)信號R′約等於0.08具有一致性……[2]

克萊茵傾向於這一論證:少量事件的選擇清除了可能的邊緣效應,具有μ介子軌跡,該軌跡若在該位置上則可以清晰地看到。這一分析中不需要多個事件的統計總和,也不需要應用蒙特卡羅模型。

幾乎與此同時,曼恩也發現了證據,並得出了同樣的結論:信號不會消失。[3]在1973年12月至次年1月間,曼恩再次對數據和照片進行了檢查,應用了多種選擇標準,以便確保不會出現由簡單誤差造成的無μ介子事件。如同核子研究中心會議上的情況一樣,他一再掃瞄了這些事件,重新測量了能量值,對基準區域進行了再定義,並對μ介子完全穿透探測器的證明數據進行了再次檢查。12月間,曼恩緊密地遵從了伊姆利的穿通計算結果。隨著一周又一周時間的流逝,曼恩的論文顯示出了越來越多的關注。12月9日,在長長的計劃事項列表中,首個也是迄今為止最多的註釋符號都是標注在了穿通現象問題上。這些記錄結束在了一系列「懸而未決的」問題上:

從觀察到的Eh-Z分佈來看(模塊數量所顯示出的事件強子能量與目標中相互作用的縱向位置的對比),我們能否通過穿通計算值來預測Robs(觀察到的中性流和荷電流事件的比率)與Z的比值?跟我們觀察到的相比,這一值會迅速減小嗎?還是會緩慢減小?……有沒有可以進行的、穿通現象改正的「全局性」檢查方法?[4]

曼恩與克萊茵不同,在寫下這段話時,很明顯他還對穿通問題存有疑慮,伊姆利繼續對這一問題進行討論。12月15日,伊姆利和曼恩進行了通話,通過這次通話曼恩的疑慮得到了部分緩解。[5]穿通的平均值升至18%。穿通數量越多,中性流就越多。三天後,奧貝特、林和伊姆利完成了對穿通現象的系統性研究,在研究中,他們通過其他強子伴隨的荷電流事件的次數測出了穿通的百分比。在重新掃瞄了30%的數據之後,他們描繪出了穿通概率的能量函數圖像,並發現圖像與他們的模型是匹配的,高能事件的百分比升到了令人驚訝的40%。然後,他們將計數器B的響應與鄰近火花室的響應進行關聯,再次檢查了測量值。最後,他們又對測量值進行了檢查,將相互作用限制在了目標中的不同區段上。荷電流穿通現象測量值之間是相互一致的,與他們的模型間也具有一致性,他們對此感到滿意,通過計算機模擬計算出了改正後的R值。在備忘錄的最後,他們給出了簡潔的最終結果:「數據點仍然顯示出了12%~15%的效應」。[6]

新的穿通計算結果在曼恩的解釋過程中起到了作用。1974年1月末,他面向協作組成員以公開備忘錄的形式展示了自己新的態度:

看起來我們的掃瞄標準和基準區域段事實上將絕大多數的疑問事件都除去了。由後附的副本中可見,在最終樣本的328至332操作中,13次N事件(中性流對像事件)中有8次是「值得考慮」的。[7]

發表的延遲還有另外一個原因。2月26日,奧貝特、福特、伊姆利、林和梅辛傳閱了一份手寫的備忘錄,要求獲得更多的研究時間。

在一周左右的時間裡,我們將以幾近自由穿通的方式,僅通過SC4獲得數據分析所需的測量值。鑒於我們幾乎完全沒有依賴蒙特卡羅法……就測出了(穿通概率),我們將等待一段時間,以便將這一分析添加到論文中。[8]

蘇拉克表明,哈佛和加速器實驗室項目給出的預測是別無二致的,這時甚至連蒙特卡羅法本身也受到了強化,「之前的不同點……可能是由於直方圖研究中或幾何常數中的不同造成的」。[9]

根據這些備忘錄的基調和背景,這些原因很明顯不是用於說服小組成員的——直到2月末,人們都相信中性流不會「消失」。這樣的最終論證更像是為了將對計算機模擬計算量的依賴程度減至最小,進而支撐已公開的論文。在舉行了數次小組會議之後E1A第二版幾近完成,小組打算將最初的哈佛論文進行發表(不含對統計顯著性或不同角度段的論證),僅將論證了早期發現的額外工作加入到文章中。[10]

1974年3月中旬,針對改進後的實驗,小組完成了論文的撰寫,文章題目為《對無μ介子中性流感應非彈性相互作用的進一步觀察》(「Further Observation of Muonless Neutrino-induced Inelastic Interactions」),並投稿給《物理評論快報》。[11]到這時為止,新證據可以簡明地概括為圖4.49和圖4.50中的9幅圖表。圖中和說明文字中使用的大部分標誌仍沿用前文中的定義。AEBC標明了帶能量觸發裝置的計數器A的反符合電路,以及計數器B和C的符合電路。[12]由上行方向的頂端起計,SC4是第四台火花室。Eμ表示μ介子探測器的幾何效率,即:每個到達探測器的μ介子均被記錄下來(在過大角度處的部分出口)時,將被捕獲的μ介子的百分比。

圖4.49 1974年發表的E1A數據第一部分。E1A在第二次中性流研究結果發表中提出的證據。(a)(針對所有強子能量)伴隨AEBC事件測出的強子穿通概率εP與Z(由下至上方向計算出的火花數量)的函數圖像,以及(實線表示)基於其他實驗的預期的分佈形狀;(b)(Z為5—12之間時)測出的穿通概率,是強子能量與預期變化的函數圖像;(c)SC4測出的、修改後的μ介子角分佈與預測分佈的對比圖;(d)觀察到(未逃脫的)μ介子的事件的百分比,事件頂點位置的函數圖像。(d圖上部表示)僅以c圖中分佈為幾何背景,僅通過SC4測量出的、帶有μ介子的εP事件部分,陰影部分表示預期會到達SC4中的部分μ介子。陰影部分說明c圖中統計數據引起了不確定性。(d圖下部)與上部相同,只是Z函數不同。來源:Aubert et al.,「Further Observation,」Phys.Rev.Lett.32(1974):1456.

圖4.50 1974年發表的E1A數據第二部分。E1A在第二次中性流研究結果發表中提出的附加證據。(a)三台μ介子鑒定器給出的R值,黑色點表示mu1′(SC4或計數器B),黑色三角表示mu1′(僅SC4),黑色方塊表示mu2(SC5或計數器C),圖中表示與熱量計中心的橫向距離函數;(b)R值隨著三台鑒定器縱向位置的變化;(c)R值隨著三台鑒定器強子能量(EH)的變化;(d)E1A給出的中微子束的允許範圍Rv和反中微子束的允許範圍R與加爾加梅勒小組給出的中微子/反中微子束R值的對比圖。來源:Aubert et al.,「Further Observation,」Phys.Rev.Lett.32(1974):1456.

實驗獲得的數據較為穩定。三台不同的μ介子探測器給出了一致的結果:mu1(通過SC4和計數器B的軌跡)幾乎完全獨立於廣角μ介子,而mu2(計數器C或SC5)受到厚鐵板的防護,因此(同之前的實驗一樣)幾乎不受穿通現象影響。mu1′(僅SC4)指出了分別獲取的SC4和計數器B的相對效率。兩次實驗最終獲得了一致性,「雖然修改結果在數量級和技術方面有很大的不同,(這樣的一致性)為結果的正確性提供了具有說服性的支撐」。[13]

毋庸置疑的是,E1A的研究工作能被後人記住,憑借的是這些以及與這些相似的圖表。隨著文章在《物理評論快報》上的發表,弱中性流發現進程的第一個階段落下了帷幕。全世界的多個實驗室繼續進行了進一步的實驗研究,試圖確定弱中性流對稱性的詳細情況,但是這一效應的存在性貌似已經是確信無疑的了。在這緩慢而令人沮喪的任務中——分離真實與人為現象,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室研究小組進行了雙倍的努力。

1974年4月,國家加速器實驗室的小組首次發表了相關論文,幾周之後(4月26至28日)費城舉行了中微子物理學的主題會議。中性流問題很自然地佔據了舞台焦點的位置。與會的一位科學家在他的開場發言中這樣描述人們達成的一致意見:「現在看來,高能中微子實驗中強子中性流的存在性是由四項『獨立的』實驗證明的。很明顯,接下來我們的主要目的是確定它的對稱性。」[14]理查德·費曼在他的總結發言中,也表現出了這樣的樂觀態度。在發言中他表示,對於電弱理論而言中微子的成功預測是一種榮譽。「但是,」他又表示,「我應該遵從曼恩先生的建議。對中性流的本身應該進行研究。也就是說,實驗者們應該這樣說:『好,我們發現了中性流,現在我們來研究它的特性吧!(而不是僅僅將它們同溫伯格和薩拉姆的理論進行對照。)』」[15]

1974年6月,高能物理學會議在倫敦舉行,在會上中性流問題得到了進一步的強化。其中尤其驚人的是巴裡·C·巴裡什所做的加州理工-費米實驗室中微子研究小組報告(1974年5月國家加速器實驗室更名為「費米國家加速器實驗室」,即FNAL)。一開始,巴裡什和他的研究團隊並未將資金用於中性流的研究,而是用於重輕子存在性的研究。在巴裡什看來,重輕子的研究只需要一個奇跡的發生,而中性流的研究貌似需要兩次奇跡(GIM機制和中性流)。[16]為了這一目的,他和他的小組設計了同之前實驗中微子一樣的觸發系統,用來觸髮帶電輕子,將中性流排除在外。在眾多理論家中,加州理工學院的費曼是巴裡什的支持者,他鼓勵巴裡什以懷疑的態度看待格拉肖-溫伯格2薩拉姆模型。[17]

然而,憑借對μ介子同類較重的粒子的期待,是無法憑空產生數字的。只有8個標記錯誤的μ介子在底片上留下了記錄,它們其實是重輕子的痕跡。[18]在倫敦會上,巴裡什對他們的重輕子主題進行了評論,對他們選錯了的透明性問題進行了總結:「觀察到的事件在數量級和特徵方面都與(反中微子)背景具有一致性!」他們重新設計了觸發系統,以便記錄下30億電子伏左右的強子事件,然後再次進行了實驗。這一次尋找的目標是中性流。使用的裝置與E1A和加爾加梅勒的裝置都不相同,新的結果表現出了說服力。巴裡什將結論以投影的形式投射在大屏幕上:「(1)中性流確實存在。(2)測量出的數量級為R(中微子)=0.21R(反中微子)=0.33。」[19]加爾加梅勒和E1A的研究人員們都如釋重負。

阿爾貢-肯考迪亞-普度的12英尺氣泡室實驗和哥倫比亞-伊利諾伊-洛克菲勒-布魯克海文小組也給出了初步但又具有積極性的結果。[20]除此以外,針對一度被禁止的過程的存在性,這些小組使更多的人們投身到了對此的研究中。

因此,早期的中性流實驗接近尾聲。兩個不同的研究小組憑藉著各自預期和專業知識這一內在動力,各自找到了獲得結論的途徑,對相矛盾的方法進行整合,熟悉機械裝置,學會如何對現象進行再分類。在大洋兩岸,在同僚們提出的大量分析研究、反對意見和建議提案面前,成群的物理學家們不得不進行妥協。兩個小組一次又一次地推動著實驗,使其與測量數量具有更直接的聯繫。他們還與自己的研究結果做著鬥爭,直到結果顯示出了穩定的狀態,所有這一切都是在巨大壓力之下完成的。

歐洲物理學家們最終進行的是兩項實驗:一是單一電子實驗,一是強子中性流實驗。與此類似,美國的同僚們進行的論證也不僅僅是一種。1974年2月末,E1A小組實質上已經完成了兩項實驗。小組不僅改變或改進了光束、幾何結構、火花室、照相系統、背景等,兩次研究涉及的主要人員也是不同的。兩個亞組的實驗樣式和實驗預期各不相同,最終他們確信實驗可以結束之時所憑借的證據也是不同的。

在1973年秋天的艱難時間裡,一個殘酷的玩笑在實驗群體中傳開了,哈佛-威斯康辛-賓夕法尼亞-費米實驗室小組發現的不是中性流,而是「交變」中性流。到了次年4月,物理學界在這一點上達成了共識:振蕩已經被永久整流了。理論和實驗物理學領域都不得不應對針對物質本質的新的約束所帶來的挑戰。


註釋

[1] Mann,interview,29 September 1980.

[2] Cline,「Signal,」TM,Wisconsin,13 December 1973.

[3] Mann,interview,29 September 1980.

[4] Mann,untitled list,9 December〔1973〕,AMP.

[5] 梅恩的複製版參見Imlay,「Punchthrough,」TM,Wisconsin,1973年11月29日,帶有梅恩的手寫批注。1973年12月7日梅恩收錄。AMP.

[6] Aubert,Ling,and Imlay,〔Punchthrough Probability〕,TM,18 December 1973.從1974年1月4日到7日,安德魯·魯塞(加爾加梅勒協作)拜訪了國家加速實驗室,還帶去了他關於動態中子引發的強子流經驗。他(用從E1A得來的當前掃瞄結果)給裡德和其他人呈現了他對於穿通率支持中性流的質疑。Rousset to author,9 July 1986;Reeder interview,30 January 1987.

[7] Mann,「300 GeV Run,」TM,Pennsylvania,26 January 1974.

[8] Aubert et al.,「Further Observations」paper,TM,26 February 1974.

[9] 〔Sulak〕,「Consistency,」TM,Harvard,5 March 1974.

[10] 在此時出版早期論文的決定引發了一些關於共同印刷已拖延許久的首版論文恰當性的爭論。

[11] Aubert et al.,「Further Observation,」Phys.Rev.Lett.32(1974):1454-1457.伊姆利於1973年2月6日給出了對修改實驗的第一次展示。Imlay,「Neutrino Interactions,」Am.Phys.Soc.Bull.19(1974):58.

[12] 當一個帶電粒子隨著光束進入探測器,反A觸發器阻止了事件被記錄下來;只有當高於中止能量時,能量觸發器才會觸發事件;B和C計數器確保事件中包含有一個μ介子。

[13] Messing,thesis(1975),21.

[14] Sakurai,「Neutral Current Interactions,」Philadelphia(1974),57.

[15] Feynman,「Summary,」Philadelphia(1974),315.

[16] Barish,interview,2 August 1985.

[17] Barish,interview,2 August 1985.

[18] 巴裡什在倫敦的訪談之幻燈片,B.Barish,personal papers.該訪談發行的版本是Barish,「Cal Tech FNAL.」London(1974),IV-III-13.

[19] 巴裡什倫敦訪談之幻燈片,B.Barish,personal papers.

[20] Schreiner,「Bubble Chamber,」London(1974),IV-123-26.W.Lee,「Reactions,」London(1974),IV-127-28.