在国家加速器实验室里,E1A的研究才刚刚开始。由于四种情况的产生,克莱茵和曼恩对投给《物理评论快报》的论文产生了严重的不信任感。首先,在麦迪逊推导出来的4000亿电子伏数据显示,中性流和荷电流的比值较小,这令人感到忧虑。其次,克莱茵并无证据可以证明新的结果具有足够的说服力,以至于可以反驳那些具有极低限制的奇异性变化中性流过程实验。1973年夏天,他对中性流的精确范围进行了不合理的预期。再次,鉴于新装置使用中的不确定性问题以及μ介子的广角问题,在新的结果中试图进行深度检查也是很自然的。最后,曼恩意识到,整个实验可以进行方式的改进,迅速地重做,但这与装置的规格和装置更改伴随的难题是无法协调的。克莱茵、曼恩和国家加速器实验室的其他研究人员们暂时将全部的注意力都转向了探测器的重新调整上。随着会议报告的完成,研究团队将论文的编撰置于了次要的位置。
与此同时,E1A在9月想办法为余下几个月至次年初期间获得了大量的运行时间。[1]通过几次改进后,克莱茵进行了乐观的预期,预计他们可以提高事件探测的效率,获得更为精确的位置测量值,最重要的一点在于破除了μ介子广角的诅咒。为了解决广角的问题,研究小组以两种方式对装置进行了改进。首先,他们在热量计第16段和4号火花室(SC4)之间安置了一块新的13英寸厚的钢护板,尺寸为12×12英尺(见图4.41)。原则上而言,钢护板和热量计的下游段应该会阻止所有强子进入SC4。因此,凭借钢护板在恰当位置上的作用,只有μ介子可以到达SC4和计数器B。这一新调整有效地将SC4和计数器B这两件装置转化为μ介子探测器的首要构件。这一任务原先是由5号火花室和计数器C来完成的。由于SC4距离时间产生的目标处和热量计位置相对要近得多,可以检测出更多的广角μ介子(见图4.42)。其次,由图4.41中可以看出,之前在μ介子光谱仪中使用的较小的宽距火花室是如何被较大的窄距火花室所替代的。更换后的火花室规格较大,对角也较大。对于计数器C而言亦是如此,当它的规模变大后,可以捕获更多的无定向μ介子。
图4.41 两台E1A的改进前后对比(上图)。图4.34中描述的更改前的装置(下图)。1973年秋季建造的新装置,使用4号火花室(之前是第一阶段的一部分)在较之前更广的角度内捕获μ介子。为了将强子分离出来,研究小组在SC4前方放置了一块13英寸厚的钢护板。μ介子探测器中放置的其他离子过滤板的厚度为4英尺。来源:Aubert et al.,“Further Observation,”Phys.Rev.Lett.32(1974):1455.
图4.42 图4.41中广角陷阱的细节图。SC4捕获了之前使用SC5才可能捕获的广角μ介子。而且SC5和计数器C的规模扩大也对广角μ介子的记录起到了帮助性作用。
凭借着这些创新,当时物理学家们实验所需的花费貌似并不高。强子护板之前是由更厚的铁板(4英尺)组成的,可以屏蔽通过SC5的上行流。虽然如此,但若不将SC4(和计数器B)向下行方向推移,以消除它们捕获广角μ介子的目的作用,那这样的厚物质是无法嵌入热量计第16段和SC4之间的。1973年9月28日,研究人员对新装置进行了首次试运行,之后克莱茵很快撰写了一份备忘录,在其中对这一更改进行了这样的评论:
放置在热量计后方的新的铁块在减少通过(计数器B和4号火花室)的强子方面十分有效。虽然小部分事件显示出了穿透结果,但这一比例要小于20%……为了确定这一结论的可信性,仍需对数据进行更多的研究。[2]
很遗憾,在数个月的时间里,从量化方面而言人们并没有了解到这一点:钢护板的厚度不足,无法有效地减少强子的穿透数量。这是一个决定性的问题。若强子穿透铁板,即便在顶点并未出现μ介子,该事件也将被记录为荷电流事件(见图4.43)。
图4.43 穿通现象。在插入了13英寸厚的钢护板之后,哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室小组逐渐意识到,在解决一个背景问题的同时他们在不经意间又引发了另一个问题。强子可以通过钢板进入μ介子光谱仪的第一阶段,使得“真正的”中性流事件也貌似是μ介子。
鉴于实验者们并未对“穿通现象”进行足够的补救,中性流信号消失了。精确预测之所以不适用于强子穿通现象,是与加尔加梅勒小组对中子相互作用长度的艰难计算相关的。两个问题都涉及穿透粒子相互作用较强的物质。强烈的相互作用表明,其中涉及的问题较广为人知的电磁相互作用而言难度要大得多,例如μ介子在物质中的轨迹问题。中微子相互作用产生的强子能量和动量分布相关优秀数据的缺失加剧了这一问题。需要记住的是,这是对高能中微子反应的首次观察,对反应产物的构成成分还没有进行研究。鉴于穿通现象并非早期实验中的主要问题,一开始研究人员并未意识到薄的钢护板使问题变得严峻了。研究人员使用仪器的习惯十分顽固,很难改变。
我们不该认为研究小组成员们是在单枪匹马地行动。不同的成员寻找的论证方式也不尽相同。穿通现象的计算机模拟以及广角μ介子并不是克莱茵所寻找的目标。正如他之前进行的稀有K介子衰变研究一样,很明显,克莱茵更能够接受基于“镀金事件”(gold-ploted events)的论证,它们本身就是一种效应的确凿证据。从这一点来说,他的方法与欧洲核子中心电子研究小组的方法十分类似。因此,对于他而言,继续在E1A寻找同样类型的中性流证据也是再自然不过的了。克莱茵从数据带中提取出了顶点信息,以便对特定事件进行检查。其中一个事件引起了他的兴趣,这是一个单一事件,是基准量中的死点,它逃过了位置和能量的削减(见图4.44)。在给同事的信中,克莱茵这样写道:
图4.44 克莱茵“镀金事件”的候选数据。来源:Cline,“Revised E1A Detector,”Wisconsin,TM,1 October 1973.
研究我们预期的中点(x,y)无μ介子事件的可能性是十分有趣的……(其他的两个事件离基准区域的边缘过近,不可能是镀金事件)我们期望可以发现……一个事件。由此,很遗憾,这一事件的可能性是存在的,我们还未能发现镀金事件。[3]
通过类似的推论,克莱茵在之后发布了备忘录,记载了云室中产生的小块电子-中微子污染物产生电子的事件。克莱茵复制了其中的一个单一电子事件,并向他的同事建议寻找这些稀有事件,通过谨慎的研究了解弱相互作用的各个方面。对于这些单个电子而言,克莱茵这样写道:“它们是真正的无(μ介子)事件,在正确层面上对这些事件进行观察将对(少部分层面上的无μ介子事件使用的)探测器的校准起到帮助性作用。”[4]
克莱茵的研究风格——寻找“闪闪发光的例证”——带来的一个必然结果是他对最初论文的统计学方法基础并没有特别的信心。[5]没有了讨论现象的确切范例,于他而言这样的计算机模拟在固定不同参数(如中微子束和μ介子角分布的特性)的过程中,很容易受到误差的影响。曼恩也因为蒙特卡罗法令人苦恼的可挠性而感到不安。针对1937年9月的模拟实验,弗雷德·梅辛在给他之前的论文导师的回信中表示:“在曼恩返回的时候,我回想起来,他的反应就如同吃了不新鲜的海鲜一样。在最开始吃起来味道不对,随着时间推移,胃也越来越觉得不舒服了。”[6]简单而言,曼恩感到研究人员对可信的实验参数的细小改变过于敏感了。[7]
毫无疑问,迄今为止产生的数据量反映出要发现黄金事件的尝试已经落空了,此后克莱茵又针对中性流的存在与否多次表示质疑。在初期的备忘录中,他对无μ介子事件的寻找兴趣进行了回顾,这可能是源于实验中W的产物和衰变。这一可能性与当时的格拉肖-温伯格-萨拉姆能量理论完全矛盾。在之后的10月11日,克莱茵首次指出,E1A与欧洲核子中心的发表结果间不再具有物理学一致性。[8]他的计算较为粗略,使用了两个粗略的数据:唐纳德·里德曾计算出μ介子的检测效率为83%,而T.Y.林(Ta-yung Ling)预计13%的强子通过了钢护板。13%这一数值不到最终确定值的一半,大幅度地降低了计算出的过量无μ介子事件的数量。简而言之,穿过钢护板的介子比物理学家预想的要多,他们将许多“真正的”无μ介子事件算作了荷电流事件。
鉴于多种原因,在人们进行严密的计算之前,对穿通现象的较低预测持续了一段时间。其中一部分原因在于强子的穿通现象在之前并未被认作是由厚铁板引起的问题。这一较低的预测之所以能存在一段时间,是由于对强子在铁板中快速移动时产生的相互作用仍无良好的测量值或理论性对待,由于中微子相互作用产生的介子缺少能量分布,这一问题更加严峻了。但是,这一问题在最初虽然貌似只是纯粹的技术性问题,其实也有社会学方面的因素。为了展示研究数据,研究小组承受了巨大的压力。此外,小组的数位成员现在是为了发现他们想要发现的目标,如同多年前的爱因斯坦和密立根一样,一出现预期的答案,他们就试图结束对问题的研究。
在1973年10月11日的备忘录中,克莱茵为0.07这一R值(NC与CC的比值)赋予了90%的置信界限,为0.21这一值赋予了99%的置信上限。他总结道:“由表面来看,这些结果同欧洲核子中心的(中微子和反中微子)混合光束测量值R=0.28±0.03并不一致。很明显问题还是在于,100次实验中的1次或者其他哪里出现了错误。”其他哪里出现了错误,但是为了确定错误所在,小组还需要额外的两个月时间才能完成。
与此同时,压力又增多了。随着小组获得中性流确切值的速度越来越快,克莱茵越来越无法安睡了。在当年的10月16日,他又分发了一份新的备忘录:
(1)鉴于中性流问题的重要性,事实是我们之前一直将关注点放在了这一主题上,而世界上其他的研究小组正在飞速地针对我们和欧洲核子中心的结果进行检查,我建议11月上旬在国家加速器实验室对(无μ介子)事件进行迅速而统一的分析。……
(2)在11月末,我们的实验室运转计划出现了改变,现在是将运行时间插入到E21(加州理工-国家加速器实验室实验)中。鉴于在接下来的一两周中,他们可能提交实验建议,我猜想这一次是用于(无μ介子)事件的查找。这再一次证明我们有必要加快分析,赶在别人前面将这个问题解决。[9]
就在同一天,即1973年10月16日,哈佛论文中心给出的审稿人报告由《物理评论快报》返回给了苏拉克。[10]两名匿名审稿人均表示,为了厘清广角μ介子问题,文章还需要进行修改。正如我们所见,二人均对使用的统计资料进行了批评,认为文章在发表之前还需要更为保守的方法。然而,当时鲁比亚正在国外,苏拉克身处哈佛,而克莱茵和曼恩的精力都投注到了改进后的实验中。在之后的几个月里,几位物理学家都没有对审稿人的评论进行回复。
审稿人并非是唯一对哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室分析存有质疑态度的人。欧洲科学家伯纳德·奥贝特曾与加尔加梅勒小组共同进行过研究,直至8月才转移到E1A。他报告称,他已经花费了部分时间,针对欧洲中微子物理学家的批评对美国的实验进行维护。据他称,E1A“之所以缺少公信度,主要是由于(欧洲物理学家)并不知道,我们(对μ介子能量和强子能量)进行了多么好的测量,他们认为我们的结果大多是源于猜想而非对(这两种能量)不确定性(比值)的测量”。[11]
当年11月中旬,曼恩和克莱茵确定了新的结果肯定无法作为中性流的证据使用。鲁比亚对此也表示了认可。随后曼恩根据这一点撰写了一篇简报,投稿给《物理评论快报》。这一文章旨在取代之前已投至该期刊、等待改进实验结果的那篇文章。虽然这一篇无中性流文章并未能真正提交,它确实对当时研究群体的观点进行了概括(见图4.45)。部分摘要内容如下:
根据观察,对于浓缩反中微子束的特定情况而言,无μ介子事件与有μ介子事件的比率为0.05±0.05。这一结果与近期欧洲核子中心进行的观察和温伯格模型的预期情况并不一致。[12]
图4.45 无中性流文章的初稿(1973年11月)。在这一投稿给《物理评论快报》的简报文章中,E1A的校长断言称,在格拉肖-温伯格-萨拉姆理论层面,E1A并未发现中性流存在性的证据。这篇文章并未发表。来源:AMP.
对于新结果的公布方式和公布时间,众人的意见并不一致。曼恩认为小组应该等一等再披露结果。[13]鲁比亚和克莱茵则分别与小组以外的人探讨过研究结果的进展。1973年12月,鲁比亚回到欧洲核子中心时,他和很多人进行了谈话,包括缪塞、拉加里格、鲁塞、延奇克等。[14]到了这时,加尔加梅勒小组自然已经发表了研究结果,认为中性流是存在的。欧洲核子中心的管理部门对此表示出了关切。
延奇克当时担任欧洲核子中心总所长一职,他在加尔加梅勒小组中召开了一次会议,仔细询问小组的实验情况。延奇克担心,研究中心会因为美国科学家即将发表的研究成果而陷入尴尬的舆论状况中。加尔加梅勒小组不会放弃,他们对此仍给予着深切关注。[15]缪塞和维来尔传阅了一份备忘录,建议小组不再将重点放在温伯格理论上,而是加倍努力对相关事件进行研究。备忘录的开头部分是这样的:
亲爱的朋友们:
在上次中性流会议之后,各位可能已经听说了这样的传闻:巴达维亚的研究小组使用略微改进过的装置(安装于1英尺厚铁板后的μ介子计数器)和聚焦喇叭研究(反中微子)运行,发现了宽频带光束的新结果。(μ介子)探测的效率较之前有了提高,研究结果很明显缺少中性流型事件。
在不久的将来,我们将对自己实验的可靠性产生深刻的质疑。
除了这些新的传言,较对sin2θw的精确测量而言,了解中性流事件是否可以通过不重要的背景进行模拟,如中微子感应中子,这一点是更重要的。[16]
在国家加速器实验室,不仅是理查德·伊姆利,连奥贝特、T.Y.林和苏拉克也几乎将所有的时间都用在了穿通现象的研究上。初步结果显示,这一效应较开始预想的要强(因此中性流也更多)。[17]估计值会更高,但不会持续几周。
当非中性流论文初稿完成时,曼恩写信给研究中心小组,通报了结果。[18]曼恩、克莱茵和鲁比亚在上面签了名。但是,在信件寄出前,作者们(曼恩、克莱茵、鲁比亚和里德)与当时的国家加速器实验室负责人罗伯特·威尔逊进行了商谈。威尔逊建议他们等到实验结束再公布结果。[19]因此这封信并未正式寄出,但是鲁比亚将未签字的副本交给了原定的收信人拉加里格,这一副本现在还在拉加里格的论文中。信件被放置在他的办公室中,很明显是一份复件,加尔加梅勒小组的多位成员手上都有信件的复件,或者曾见过这封信件(见图4.46)。
这封惊人的信件的结语内容是修正后的无μ介子荷电流事件比率:
如同0.05±0.05一样,式子从统计学上来说与0很难区分。由穿通现象得以对广角μ介子进行更好的控制,这需要比预期更高的代价。
图4.46 1937年11月13日E1A研究小组给拉加里格的信。这封信并未寄出,但是鲁比亚将未签名的副本交给了拉加里格,之后欧洲核子中心的多名成员都见到了这封信。来源:AMP,参见第311页脚注②。
到了11月初,为了确定穿通现象仅仅进行了最简单的尝试。克莱茵在中性流论文初稿的复件空白处草草写就了一些文字:“伊姆利做一下这个(穿通现象)计算”。(博士后们由他们的前辈那里获得了这样的简单指示。)除了不确定性以外,对穿通现象概率的不同测量方法在最开始获取了不同的结果。几个例子一定能够满足要求。1973年11月末,苏拉克测量了一定的荷电流事件——钢护板下行方向的SC5中出现多个火花——次数的比率(见图4.41)。鉴于其中应该只有一个火花是由μ介子引起的,苏拉克推测其他的火花必定是强子穿透护板时引起的。之后,他计算了SC5中仅出现一次火花的荷电流事件的次数。[20]两个数量的比值近似于可以穿透钢板的强子簇射的百分比。假设这一比值等于无μ介子事件的比值,苏拉克可以大概推论出穿通引起的“虚假的”荷电流事件的次数。这个方法有一个问题,单个火花通常不会明显地出现。另一个问题是两台立体相机给出的结果间具有分歧:x视角给出的穿通比率为15%,而y视角给出的值为30%。
这是苏拉克的另一种论证:荷电流事件与中性流事件的次数可以作为探测器的纵向位置函数进行测量。他发现,随着下行荷电流事件数量增加,而中性流事件的数量出现了减少。按照之前对“真正的”中微子事件的预期,荷电流和中性流事件的总数是恒定的位置函数。但是数据解释是多么难以捉摸啊!对于对中性流存在性进行支持性论证的苏拉克而言,如果强子穿透了钢板,那么中性流事件的减少正是预期的效果,这是因为钢板附近产生的强子的能量比较远的上行方向上产生的能量要多,因此更具能量的粒子才可以更多地穿透防护板。它们被(错误地)认作是荷电流事件。但是,假设同克莱茵和曼恩一样,在这个阶段主要担忧的是广角μ介子的研究角逐,那么你会认为“最安全的”事件是钢板上行方向发生的事件,其中几乎所有的μ介子都无法逃脱探测器的检测。仅仅在这个“确定的”区域内没有发现中性流。你的结论与苏拉克的将会不一致。所以,当他以这样的语句结束备忘录时他想要表达的讽刺含义可能更多:“这就是所有的数据了,结论就留给读者去总结吧!”[21]
这些对苏拉克的阐释的反对意见并不是历史学家捏造出来的。福特和曼恩遵从了这一论证,通过推算钢板上行方向的最后一段,试图避免广角μ介子的出现,从而确定了真正的R值。[22]与此相反,他们无意中选择了从位置上来说最容易造成穿通强子的事件。从当下来看,他们能在11月发现这一数值也就不是什么令人惊讶的事了:
他们得出的R值与计划投稿给《物理评论快报》无μ介子事件论文中的值具有完美的契合度。
伊姆利之前的实验[23]是基于对介子穿透性的测量,1973年12月6日,克莱茵对伊姆利的穿通研究和之后的一项研究进行了概括,在国家加速器实验室面向对这一问题最为关注的科学家们进行了演讲。在演讲中,他讲述了自己和同事们是如何确定了几何效率和穿通现象的不同参数,并将最终结论确定为:R的范围是0.05至0.15之间。这一值小于欧洲核子中心的数据和规范理论的预期值。克莱茵直言不讳地以大屏幕形式展示了最终的透明性,如图4.47所示,并附上了这一段话:
图4.47 宣告不存在中性流。对克莱茵1973年12月6日在费米实验室进行的穿透性演讲的总结。来源:Cline,“Data at NAL Talk,”Wisconsin,TM,13 December 1973.
(1)R′的值很可能过小,以至于无法与温伯格模型和帕斯克斯、沃尔芬斯泰因所推导的此模型下限保持一致,如果这是由温伯格模型引起的,那么也无法与核子研究中心的数据保持一致。能量依赖性还是一个漏洞。
做出这些评论时,克莱茵还提出了这种可能性:核子研究中心和加速器实验室之间的分歧可能是由中微子能量的不同引起的,之后一些小组成员也考虑到了这一可能性。换言之,某些无μ介子过程可能发生在核子研究中心,但巴达维亚并未发生这一过程。尽管现在看来这样的假设完全是有目的性的,但在当时而言,研究人员对中微子-夸克相互作用动力学的计算并没有充分的信心,即便在数年之后这种假设的惊人程度仍然远远没有达到预期的程度。在演讲中,克莱茵又做出了这样的阐释:
(2)E1A首次实验中得到的R′=0.29±0.09一值在当前的实验中没有得到确认,该实验中(x,y)顶点重构的不确定性可能是问题所在,然而其中仍然存在着漏洞。[24]
随着新相机的添加,立体照片可以给出更为精确的顶点位置。结果改进后的照片中改变微乎其微,但是当时克莱茵等人认为,新的光学器件可能正是对旧的“之前中性流”结果的一种解释。通过对中性流理论预测和测量仪表安排的诽谤中伤,克莱茵为E1A的新结论留下了余地。如同未决的审判一样,这个问题可以留待日后再行解决。
注释
[1] 克莱因,“探测器修正,”TM,威期康辛,未标日期,约于1973年晚夏,确定于9月29日之前,克莱因在后来提及这个日期。
[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.新的实验结束后不久梅辛写道:“早期版本的热量计……导致了一个低精度的测试结果……产生了不确定的背景……模仿中性电流。参见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.”内容未标日期,但指的是日期为1973年11月13日的书信(以下会提及),因此大约写于是在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.签名的版本在AMP,未签名的版本保存在拉加里格在奥尔赛的科学论文里。
[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] 克莱因1973年12月6日的访谈之幻灯片,复制于“Data at NAL Talk,”TM,Wisconsin,13 December 1973.