美国的物理学家与欧洲的物理学家一样，都渴望能在高的能量下利用中微子来探测核子。随着计划明确要建造一间美国国家加速器实验室，未来的研究人员援引中微子物理学作为实验室主要的物理学理论根据之一。1968年4月中旬，议会通过提案并且由约翰逊总统签署授权文件允许建造设施，工人在当年10月开始破土动工以安置加速器的第一部分。[1]在1968年与1969年的夏天，占地6800英亩、耗资2.5亿美元的实验室仍在建设之中，物理学家在科罗拉多州的阿斯彭举办了一次夏季研讨会议，以求就即将开展的实验提出方案并讨论。有很多参与者提交了研究W的提案，其中就有阿尔弗莱德·曼恩（Alfred K.Mann），一位拥有丰富计数器和火花室实验经验的宾夕法尼亚大学物理学家。
曼恩在阿斯彭提出了一份关于通过高能量中微子来源事件，以高电荷核子为目标产生W，进而利用地块间的火花室探测粒子衰变产物的可能性的报告。[2]根据开始的计算结果，曼恩辩称这样的研究会是很有效的，如果W的能量值小于大约50亿电子伏。就像施瓦兹、杨振宁以及李开复所提出的方案，以及欧洲核子中心很多的提案那样，W研究被许多在阿斯彭的实验者视为基础物理学研究中的当务之急。
部分是由于他为会议所作的准备，而部分是由于在此提出的其他研究方法，曼恩主张在国家加速器实验室开展一项高能中微子实验。[3]但他显然不是唯一一位将目光放在即将在新的加速器中开展的首次中微子实验的物理学家。一开始便很明显，无论是谁进行了第一次中微子实验，都将在收获能量高于任何之前的加速器中产生的中微子束这一胜利果实中占据有利位置。当曼恩开始起草方案时，很可能对他来说如果协作团队中的梅尔文·施瓦兹、杰克·施泰因贝格尔（Jack Steinberger），以及利昂·莱德曼（Leon Lederman）也提交了进行首次中微子实验的申请，那么他将面对严酷的竞争。这些来自哥伦比亚大学布鲁克海文学院的物理学家不仅有一起致力于二分量中微子研究以及后续实验的经验，他们所使用过的设备也与曼恩希望建造的火花室探测器十分相似。[4]此外，詹姆斯·沃克（James Walker）提出的方案在计划委员会作出最终决定之前一直对实验1构成直接竞争。为了在自己的方案上增加分量，曼恩求助于一名给他留下深刻印象的更加年轻的物理学家——大卫·克莱因（David Cline）。
像曼恩一样，克莱因有丰富的弱相互作用物理学实验经验。并且对于克莱因来说，中性流是一个长期关注的目标，自从他在威斯康辛大学的毕业作品开始，在那里他是威廉姆·弗莱的学生。为了准备论文，克莱因研究了位于伯克利质子加速器的鲍威尔重液气泡室中所拍摄的K+衰变图片。在大约25万张图片中超过2900万个静止的K介子中，克莱因在寻觅罕见的衰变。克莱因对于稀有的鲜明特征的探索成为他之后多年保持的一种实验风格。
罕见的衰变模式是很重要的，即使是在无法发现目标事件时。有时，如克莱因在他论文的开篇所指出的：“某些衰变模式的缺失同另一些衰变模式的存在同样重要。因此，不论是否能够成功发现它们，去仔细寻找某些衰变模式仍是非常重要的。”[5]并且正是中性流的不存在标志着早期工作的最大成就。就像在之前章节中谈到的结论，克莱因当时正在研究奇异性变化的中性流，而没有去注意奇异性守恒的中性流以及他们之间的区别。他论文研究的一个实例是K+→pi-plus+电子+正电子，其中克莱因认为该反应式原理是：首先，K+→pi-plus+B0（一种中性负责传递力量的粒子，与Z不同）；第二，B0→正负电子对。起初克莱因使用扫描仪挑选出很明显没有观察到动量的事件，显示中性粒子的范围。扫描仪也同时去除了能够看到是由光子产生的正负电子对的事件。对于剩余的上千事件，克莱因采用更进一步的选择标准，包括对于蒙特卡罗模拟给出的介子动量要求。当他最终实现面对很小一部分样本时，他就可以一件一件地去讨论事件。这是克莱因推理个体事件的一个例子：
事件编号116859很可能不是［k+→π+］e+e-衰变的例子，因为不变的质量与π+e+e-含有相同的π+动量衰变所预期的有很大的不同。同时，范围内的动量要大于平均合适的动量。该事件很可能是背景的例子。事件编号187088因其很高的不变质量而符合π+e+e-衰变。[6]
事件187088如图4.29所示。克莱因用它确立了该衰变模式与所有正K介子衰变小于3.7×10-6的比率。[7]根据此衰变以及其他几种衰变，克莱因总结道：“不存在中性轻子流（中性矢量玻色子衰变为轻子的中性流）看似已经得到确认。”[8]在接下来的几年里，克莱因继续着为中性流设定范围的工作。
图4.29 编号187088：是个黄金事件？通过特别细致地分析此事件，克莱因表明如果这是K+→π+e+e-的一个明确的例子，他就可以针对事件的发生率设定一个上限。此类中性流事件与相似的荷电流事件的比率小于大约1/30000。来源：Cline，thesis（1965），89.
如上述衰变研究所示，克莱因关于奇异性可变的中性流的细致工作涉及典型特征的识别。（见图4.30）。但在此实例中，利用罕见事件的证明不仅要求发现这些特殊的事件，还要说明这些事件的背景是很小的。用克莱因最喜欢的一个词组来形容，这样的事件即为黄金事件。像第一张正电子图片，第一张静止μ介子图片或第一张亚琛电子图片所展示的那样，此单组轨道可能会经常说服那些在国内凭借探测现实影像的视觉技术的实验者。其他经受不同的培训方法并且有着不同倾向的实验者给出的反应也相应地不同，并且这会证明理解美国中性流实验是如何结束的重要性。
图4.30 克莱因进行的罕见的弱相互作用研究。从克莱因在物理学方面工作的开始，他便关注罕见的相互作用，视为解决弱相互作用理论基本问题的关键，例如中性流的存在问题。在这张草图中，克莱因绘制了会在K介子衰变中探索的一些类型的事件。来源：Cline，thesis（1965），6.
在他的论文发表几年后，在他与其他许多实验者已经完成了各种关于奇异性变化的中性流的其他实验之后，克莱因回顾了1967年在巴黎国际基础粒子物理研究院的研究课题。他对于中性流的不存在几乎没有任何质疑。克莱因总结道：
萨拉姆、沃德、古德、米歇尔、拉斐尔、德斯帕那特以及布鲁德曼提出的此类弱相互作用模型的决定性测试，很可能会来自从目前来看几乎不可能发生的轻子-轻子发散的实验研究。然而，对于不存在中性轻子耦合（及可能的原始中性强子耦合）做出的成功解释无疑会在弱相互作用的终极理论中成为一个非常重要的因素。[9]
曼恩与克莱因一同在1969年12月起草了一份新的提案，制定了一份更加完整的计划，这份计划的概要呈现在阿斯彭夏季研究报告中。[10]他们有两个目的：第一，他们想要针对中微子事件，根据从中微子转移到目的地的能量与动量来测量横截面，以及荷电流事件总的横截面；第二，当然是W粒子的研究，要么通过产生一个真正的W粒子（如果W小于80亿电子伏），要么产生一个虚拟的W粒子（如果W较重）。这些过程的细节如图4.31和4.32所示。
图4.31 中微子产生W。每项高能中微子实验的早期目标实质上是要通过这里描述的过程产生W。这一期望有可能实现只是因为大家都认为W的质量不会超过特定的电子伏特数值。20世纪80年代进行的实验以及格拉肖-温伯格-萨拉姆理论均认定W的质量超过800亿电子伏，因此凭借20世纪60年代的中微子能量是完全无法达到的。
图4.32 寻找W。如果W能够像在图4.31中那样产生，那么当W衰变时将能够探测到W。如此图所示，W的信号是1个正极与1个负极的μ介子。中微子仍无法看见。
为了实现这样的宏伟目标，曼恩和克莱因申请了一台比曼恩原来计划使用的简单火花室更加复杂的装置。作为第一个创新，他们建议将液体闪烁容器交叉放置于铁矿中间，以此构成样本电离热量计。具体运行方式如下：当强子撞击铁块时，会产生带电粒子簇。通过液体闪烁体级联，它们造成光线的发散，能够通过光电管收集并测量。该修饰语“样本”指的是并不会测量所有粒子的能量这一事实，而是仅会测量一小部分的粒子能量并据此推测出总的能量。曼恩和克莱因建议将铁块与火花室交替放置，位于热量计下方25米左右的位置来确定范围，并进而确定μ介子的剩余能量。为了显示μ介子的标记，μ介子探测器的第一部分将会被磁化。通过测量强子与μ介子的能量，该实验装置能够确定原始中微子中的能量，因为所有的中微子能量不是进入强子就是进入μ介子。因此，根据中微子能量发现横截面的目标可以实现。
尽管取得了这些进展，但曼恩仍认为该装置还不足以对于国家加速器实验室的计划委员会构成影响，因此他和克莱因求助于当时在哈佛的卡罗·鲁比亚，他是曼恩在欧洲核子中心时期休假的时候所结识的。[11]最重要的是，鲁比亚给他带来了设计与建造大型电子探测器的经验（见图4.33）。
鲁比亚的实验用到了计数器数组、火花室、闪烁计数器以及丝室。它们大多是带有大量关于从μ介子衰变及捕捉到K介子研究等课题的统计数据的实验。在一项实验中，有将近24亿个μ介子被控制在一个火花室装置中，以便检查它们是否能够在没有中微子的情况下衰变。[12]在20世纪60年代后期，鲁比亚的工作转变为更加精确地确定两种中性K介子质量的差别，这会为弱相互作用的对称性提供线索。
图4.33 鲁比亚的电子探测器。在他进行E1A实验之前的职业生涯中，卡罗·鲁比亚实质上是专业从事电子探测器设计与制造的——计数器、闪光体以及火花室。但当电子技术与数据积累遍布所有设备时，请注意与1960年的装置（a）相比，规模与复杂程度上有着怎样的改变，当时的装置仅能够测量大约25厘米的跨度。到了1970年，混合探测器从一端到另一端的跨度为15米。他正是利用这个经验来帮助改变E1A非常大的目标/计算器。来源：（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）Böhm et al.，“Regeneration，”Phys.Lett.B 27（1968）：596.（f）Darriulat et al.，“Search，”Phys.Lett.B 33（1970）：250.
特别是，两种对称性存在争论：如果任何发生反应的镜像也发生反应，则是奇偶对称；如果任何过程的电荷相反的模式仍能够发生，则是电荷对称。弱相互作用似乎违反了这两种对称性。首先，物理学家发现奇偶对称失败；然后瓦尔·菲奇（Val Fitch）与詹姆斯·克罗宁（James Cronin）发现即使是电荷与奇偶对称性的组合也无法实现弱相互作用。[13]对于20世纪60年代大部分时间来说，鲁比亚建造了更为复杂的电子探测器来研究K介子系统中的这些结果。
E1A的三位主要协作者因此带着弱相互作用物理学领域丰富的经验共同开始了此项研究，虽然他们所使用过的装置是不同的。正如我们将要看到的，早先的技术经验有助于确定每位参与者均发现其具备说服力的数据。
为了协调计划，三位主要的研究人员——曼恩、克莱因以及鲁比亚——于1969年末在肯尼迪机场的大厅会面。在分开前，他们一致同意继续拟定一个中微子实验的联合方案。现在，“哈佛-宾夕法尼亚大学-威斯康辛协作团队”他们的方案设定了三个目标，每个都与形成于大西洋对岸的欧洲核子中心计划中的三个主要目标相似：
（1）W研究
（2）横截面研究
（3）部分子测试
因为自从曼恩-克莱因的方案提出后，部分子模型便开始作为基础粒子物理学中的热门话题出现。[14]
探测器不得不再一次重新设计（见图4.34）。现在热量计会是完全有效的，所有储存在矿物油液体闪烁体中的能量都会被光电管收集。在闪烁体容器间会放置火花室来记录强子与μ介子的运行轨迹。此外，计数器A、B、C与D都可以用于启动火花室。例如，该装置可以设定为仅在没有任何带电粒子通过A进入设备的同时，在热量计中有强子簇的时候启动。这会否定（阻止记录）任何由随中微子偷偷进入室内的带电粒子引起的事件。曼恩、克莱因以及鲁比亚也改进了探测器的第二个阶段。取代用μ介子通过铁块的范围来确定μ介子能量的方法，该小组计划安装巨大的磁铁块，用于通过造成粒子延弯曲轨迹运行来测量μ介子的动量。[15]
因此，这些物理学目标与欧洲核子中心的相似。但实验不同。在设备设计的背后仍有关于中微子相互作用两个阶段的分析：热量计与μ介子分光仪。通过将这两种探测器结合起来，与简单的火花室实验相比，E1A研究组可以记录更多的信息，使研究组能够更顺利地与气泡室中微子物理学家竞争。火花室热量计也有两个其他重要的优势。
最重要的是火花室是处于启动状态的，这意味着能够通过设定计数器，仅在有趣的事件发生时运行火花装置与照相机。如我们在第3章中所看到的，此局部的特性的确是将计数物理学与早期（1932年之前）的云室研究区分开来的特点。但当朱塞佩·奥基亚利尼与塞西尔·鲍威尔能够创造一个计数器控制的云室时，计数器控制的气泡室从未达到预计的效果。（气泡室无法启动，因为带电粒子存储的热量在发生扩张前就已消散。）火花室的另一个优点是他们可以比气泡室更大，得出的目标质量的比例为10:1（100吨比10吨）。因为与物质发生相互作用的中微子大体上与目标的质量成正比，这给美国的协作团队带来大于欧洲团队10倍的优势。E1A会以10倍于加尔加梅勒的能量进行：200亿电子伏对比20亿电子伏，预计的中微子相互作用比例也相应为10:1。所以，如果粒子束密度（粒子数目）相同，国家加速器实验室可以预计在日内瓦以外看到的100个事件的顺序。事实上，在大西洋两岸正在进行一场关于增加每次脉冲（P/P）产生的质子数的大型竞赛。在1972年3月，国家加速器实验室有5×109能量每脉冲；在7月为1011能量每脉冲，在10月为1012能量每脉冲；在11月为4×1012能量每脉冲。到了1974年5月，达到8×1012能量每脉冲。[16]欧洲核子中心的质子同步加速器在1972到1973年度即已达到2×1012，在1972到1973年度末已达到5×1012。[17]如这些数字通过图表的显示，我们可以看出即使是一项高能实验进行时也并不完全由最终签署发表论文的人来控制。成功或失败经常直接取决于加速器工程师保持粒子束以正确的密度及能量行进的能力。
图4.34 E1A（上方）设备图解。第一阶段由4个液体闪烁体部分元件组成（标签1—12），交替放置于双间隙火花室（标签为SC1——SC4）中间。带电粒子通过闪烁体时产生的光线由光电管收集。当收集到一起后，光电管的输出与储存的能量成正比。同时，火花室按照带来粒子运行轨迹产生了相应的痕迹，能够用于分析后续发生的事件或者触发线路上的电子。此外，闪烁体与火花室还起到中微子目标的作用。在磁场的第二阶段，用于测量μ介子动量（μ介子，而非强子，很容易穿透厚厚的铁防护罩）。（中间）荷电流事件典型火花室展示。通过SC5——SC8的那条线路会自动归类为μ介子。所有其他的轨迹均终止，暗示他们很有可能都是强子。（下方）热量计记录了事件每个闪烁部分的能量储备。来源：Benvenuti et al.，“Observation，”Phys.Rev.Lett.32（1974）：801.
两类探测器中存在的竞争反映出一个深奥的实验难题：气泡室提供了详尽的特定要素与识别的相关信息，但它们是需要大量胶片与运行时间去定位并记录事件的被动装置。而火花室通常在时间分析中提供较少的细节，但它们是时刻处于启动状态的，只有在特定逻辑电路启动时才会记录事件信息，凭此能够提供更高比例的有用信息。E1A采用一部设计用于尝试缩小局部差距的探测器。正如我们将要看到的，选择粒子识别还是高统计数量这一难题在形成这些实验结束的方式中起到至关重要的作用。
在哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚的提案中几乎没有提到中性流。[18]在主要物理学目标中也没有提及，并且在提到中性流的时候，也没有列在定量预测的内容中。在SU（2）×U（1）的模型中没有出现任何内容。更加重要的是，设备的设计，即便在原理上就是这样，以至于在初始模式的实验还不能记录中性流。
无法发现中性流是因为逻辑电路是设计用于记录只有粒子能够穿透一块4英尺厚的铁板进入μ介子分光仪的事件。中性流是那些不含μ介子的中微子事件。触发器的特点，与其他很多特点一起都来自于哥伦比亚-布鲁克海文实验，其中这样的触发器有效地消除了不会产生任何μ介子的无关事件。这有一件逸闻趣事。据施瓦兹与莱德曼所述，在他们早期的火花室实验中记录了许多事件，在这些事件中的最终阶段根本没有μ介子存在。以研究组的专用语描述，这些奇异事件被命名为“骗子”，充分证明了他们对与关于本性的深奥问题所感知到的重要意义。[19]有一段时间当扫描火花室胶片成为一件持续的令人讨厌的事情，增加一个可以选择真正中微子事件的触发器似乎是通过开拓电子探测器多能性所取得的重大进步。
注释
[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.对离散对称相关实验的历史性分析参见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.