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上述所提到内容的要点是:格拉肖-温伯格-萨拉姆理论(也称为“标准模型”、“弱电理论”,或以对称性研究小组SU(2)×U(1)而为人熟知)预测了弱力的一种中性载体的存在,弱力能够使中微子在普通物质中撞击或回弹后保持完好无损。
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在最初四年里,SU(2)×U(1)理论逐渐在众多竞争模型中销声匿迹。它所受的冷遇可以通过1967年至1973年温伯格论文的引用记录来说明:1967年0次;1968年0次;1969年0次;1970年1次;1971年4次;1972年64次;1973年162次。[6]转折点是在1971年赫拉德·特霍夫特(Gerard’t Hooft)证明了广泛类别的规范对称性理论都是不可重正化的。[7]正如西德尼·科尔曼(Sidney Coleman)所说,特霍夫特的吻将温伯格的青蛙变成了被施了魔法的王子。[8]引用率是如此地吸引人以至于其他假冒者纷纷迅速露面。谢尔登·格拉肖与霍华德·乔吉(Howard Georgi)提出了一个替代的规范理论,根据特霍夫特的证明也是不可重正化的,但该理论去除了看似不受欢迎的中性流。[9]
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当要讨论的实验完成的时候,他们已经帮助将格拉肖-温伯格-萨拉姆理论带到物理界瞩目的中心。更广泛地说,实验的结构有助于促成粒子物理学远离启发式与现象的技术的集合,进而转变为弱电相互作用,甚至强子的场论描述。1976年,一位评论家恰当的捕捉到了对弱相互作用理论态度的彻底转变被,这名评论家指出现在我们有了一个“真实的弱相互作用理论,逐渐向麦克斯韦的电磁理论靠拢”。[10]依靠这个成就,理论家建立了一个强相互作用的规范理论,甚至还有更加展示雄心壮志的规范理论,统一了弱、强以及电磁相互作用。中性流的发现在理论与实验方面对此规范项目的促进起到至关重要的作用。
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[1] Frauenfelder and Henley,Subatomic Physics(1974),313.
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[2] Glashow,“Partial Symmetries,”Nucl.Phys.22(1961):579.
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[3] Yukawa,“Interaction,”Proc.Phys.-Math.Soc.Jap.17(1935):48-57.
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[4] 例证请参见Bernardini el al.,“Search for Lepton Pairs,”Moscow(1966),24-28,为W质量给出了1.9 GeV的最低限度。
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[5] Weinberg.“Model of Leptons,”Phys.Rev.Lett.19(1967):1264-1266.Salam.“Weak and Electromagnetie,”in Particle Theory(1968),367-377.对规范理论的两篇精彩介绍参见Abers and Lee,“Gauge Theories,”Phys.Rep.9(1973):1-141;Quigg,Gauge Theories(1983).格拉肖-温伯格-萨拉姆理论的历史请参见Weinberg,“Conceptual Foundations,”Rev.Mod.Phys.52(1980):515-523;Glashow,“Unified Theory,”Rev.Mod.Phys.52(1980):539-543;Salam,“Gauge Unification,”Rev.Mod.Phys.52(1980):525-538;Pickering,Constructing Quarks(1984).不幸的是,有关弱电起源的理论物理学的详细历史不在本书讨论范围内。
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[6] Coleman,“Nobel Prize,”Science 206(1979):1290-1292.
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[7] ‘t Hooft,“Renormalization of Fields,”Nucl.Phys,B 33(1971):173-199.对于验证规范理论所做的努力,其详述请参见Veltman,“Gauge Field Theories,”in Rollnik and Pfeil,Symposium,(1974),429-447,cited and discussed in Pickering,“Against Phenomena,”Stud.Hist.Philos.Sci.15(1984):116.
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[8] Coleman,“Nobel Prize,”Science 206(1979):1291.
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[9] Glashow and Georgi,“Without Neutral Currents,”Phys.Rev.Lett.28(1972):1494-1497.
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[10] Taylor,Gauge Theories(1976),1.
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实验是如何终结的? 优先顺序
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我们现在来看两组发现中性流的实验,分别在大西洋两岸进行。尽管这些特定的实验仍留下许多关于中性流特性的有待解决的问题,但做出了更多的精密研究(例如关于时空以及中性流同位素自转的实验),这些研究首次说服了许多物理学家(理论家与实验者兼有)相信高能级中性流的存在。两组实验分别为位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室所开展的E1A,以及在欧洲核子中心开展的加尔加梅勒协作研究。担任E1A实验工作的合作团队由来自哈佛大学、威斯康辛麦迪逊分校、宾夕法尼亚大学,以及美国国家加速器实验室(后来更名为“费米实验室”)的实验小组组成,即哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室通常简称为“哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室合作团队”。
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在欧洲,加尔加梅勒研究组织由来自牛津大学、奥赛直线加速器实验室、亚琛工业大学第三物理研究所、米兰大学、英国伦敦大学学院、巴黎综合理工学院、布鲁塞尔大学跨校高能物理研究院以及欧洲核子中心的实验小组组成。超过70名物理学家最终签署了各类关于中性流的报告(见附录)。还有许多其他的管理者、实验人员、学生以及技术人员参与了不计其数的策划与分析阶段。
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这里并非回顾20世纪60年代弱相互作用理论发展。然而,站在实验者的角度看,众多理论上的兴趣点简单明了地共同交织在由梅尔文·施瓦兹(Melvin Schwartz)个人、李政道与杨振宁在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的两篇相关论文,以及布鲁诺·庞蒂科夫(Bruno Pontecorvo)独立概括的一项广泛的实验项目中。[1]这三名作者强调中微子会成为弱相互作用的理想探针,因为其(像电子和μ介子)对于强作用力是完全免疫的,且中微子不含任何电荷,所以它不会受到电磁力的影响。他们所提出的一些建议成为下一个十年所执行实验的指导原则。所有使用过的中微子束大致产生的方式如下:质子加速撞击到坚硬的目标物体,在其中产生了介子与k介子。介子与k介子延着一根真空管下方移动直到其中部分衰变为μ介子与中微子。通过引导μ介子与未衰变的介子穿过数米深的泥土,他们可以停下来,仅留下一束中微子(见图4.18和图4.19)。
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凭借中微子束,许多实验成为可能,包括:①两类中微子实验。衰变产生的中微子可能与那些产生于介子衰变的中微子相同或不同。凭借一束介子产生的中微子我们可以判断是哪种情况。②测试弱相互作用的时空结构。自费米提出弱相互作用理论的那天起,众多不同形式的弱相互作用应运而生。“V-A理论”保持了费米最初的想法——使基本的相互作用像电流那样进行。这在格拉肖、温伯格,以及萨拉姆的理论诞生前是占主导地位的弱相互作用理论。[2]V-A理论也很好地解释了最近发现的宇称不守恒现象。[3]此外,中微子束能够详细测试V-A理论的影响,例如预测部分弱电流会像电磁流那样守恒(矢量流守恒假设)。③测试轻子守恒。当电子与μ介子产生于粒子的相互作用时,通常伴有中微子。中微子束有助于确定是否存在新的和电子与μ介子有关的量子数。如果有,则情况可能是1个电子(电子数+1)总是与1个反电子中微子(电子数-1)共同产生。④测试电子-μ介子普遍性。μ介子看似仅仅是质量更大的电子。中微子束能够帮助物理学家发现除质量外,μ介子与电子中产生的弱相互用是否真的相同。⑤中间矢量玻色子研究。对于E1A与加尔加梅勒来说,关于中微子束最重要的建议是主张中微子相互作用能够用于尝试及产生中间矢量玻色子,W。
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图4.18 1967年加尔加梅勒室的位置以及中微子束。示意图中的大圈是欧洲核子中心的质子同步加速器,能够将质子移动速度提高到240亿电子伏特。其中一些质子会沿着连接加尔加梅勒(GGM)的束流管射出。当高能量质子猛烈撞击钹或者铝目标物体时,它们会产生大量的介子和K介子。这些轻质的不稳定的新粒子继续朝着加尔加梅勒移动,其中一些衰变为中微子。大部分没有衰变为中微子的粒子被超过3000吨重22米长的铁所阻挡。来源:示意图,CERN/PIO/RA 77-4。
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图4.19 欧洲核子中心安置加尔加梅勒室的厂房航拍图,1967年8月。该图片所示的方位与图4.18类似。来源:CERN 109-8-67。
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