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缪塞对于新的理论成果的兴奋感因另外一条好消息而得到提升。在1月初,就在他离开前往美国的几天前,亚琛研究小组为中微子-电子(仅含有轻子)发散事件找到了备选。在亚琛进行一些图片的常规扫描时,拍摄到的图像可以被解读为一个明显发起于室的中央的单体高能电子。亚琛电子事件满足所有电子研究小组应用在研究中的标准。它是与外界隔绝的并且正好在可测量的室的可视范围内。这排除了电子受到光子撞击的可能性,因为高能量光子在气泡室液体中只能移动几厘米。电子已经融入束的方向,使其符合电子受到一束中微子撞击的假设。最后,电子有着如此高的能量,使它不会受到荷电流事件发射出的相对能量较低的中性强子的撞击。
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对亚琛事件的认知以及作为一项真正“发现”的定位是分几个过程发生的,起初作为在实验室等级体系中逐渐提高地位的“黄金事件”到后来面对整个协作团队的研究。在第一级中,一位担任扫描气泡室底片工作的女性工作人员,汉内洛·蕾赫根(Hannelore von Hoegen)注意到一个不平常的事件(见图4.25,并与图4.21比较),她将其归类为极其罕见的μ介子加γ射线事件。在检查扫描仪的工作时,从事研究工作的学生之一,弗朗茨-约瑟夫·哈泽特(Franz-Josef Hasert)对此古怪的事件更加好奇。他回去重新查看胶片并认出其中螺旋状的粒子为电子(再次见图4.25)。第二天,哈泽特带着图片大步上楼奔向研究组副组长约根·克罗格(Jürgen von Krogh)。克罗格同意该图片有相当重要的意义。他将图片交给研究所负责人赫尔穆特·费斯奈尔,他后来写道:“该事件是我们几个月来一直期待出现的形象的例子:中微子电子发散的背景。但要评估的关键点是背景。”[1]对于单一电子来说,占主导地位的背景正是逆β蜕变。普通的衰变是:
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图4.25 图集中的事件。加尔加梅勒室中第一个单体电子事件在1973年1月初发现于亚琛。这是电子中μ介子中微子完全的轻子发散的备选。许多理论家和实验者发现这些事件特别引人注目,因为他们的分析不需要任何关于质子和中子内部的假设,并且特别易于分析。电子的运行轨迹是从左向右。在箭头的末端开始,表面上被一颗向右移动的中微子撞击。带有光环的黑色圆圈是照亮气泡室液体的灯光。来源:Hasert et al.,“Muon-Neutrino Electron Scattering,”Phys.Lett.B 46(1973):122.
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中子→质子+电子+反电子中微子 (4.3)
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逆β蜕变是:
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电子中微子+中子→电子+质子 (4.4)
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或
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反电子中微子+质子→正电子+中子 (4.5)
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只有电子-中微子产生电子。因为照片明确捕捉到了1个电子,并且拍摄到反μ介子中微子的移动,所以仅有的重要背景是来自电子中微子的细微混合,不约而同地进入反μ介子中微子束。这就是让菲斯奈尔感到兴奋的根源。
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菲斯奈尔搜集了所有的“图集”例子,并与克罗格一起前往英格兰,将搜集到的例子交给珀金斯。通过他几个月前在巴达维亚发表的言论判断,珀金斯怀疑根本没有或仅有极少的中性流,因为没有发现任何梦寐以求的轻子事件。在拿到菲斯奈尔在亚琛拍到的图片后,珀金斯的态度改变了:
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我只有一个问题,这是一张中微子的照片还是反中微子的?在了解到这是一个反中微子事件后,我带头冲到酒吧去庆祝。在那时,预计的背景是0~1个事件,因此这一个实例已经足够说服我(尽管显然不能代表整个世界)。所有在那以后发生的事都很令人扫兴。[2]
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菲斯奈尔在1973年1月11日给拉加里格的信中写道:“该事件令我们感到非常兴奋;它实际上是中性流例子中一个非常令人喜欢的候选。”[3]在几天后的回信中,拉加里格强调了两个重要的背景程序,解释了需要如何去研究。我会很快回到关于这些问题的讨论中,但在研究小组能够掌握针对背景的全套理论武器之前,一些粗略的计算结果改变了许多协作者的信仰。[4]对于他的同胞,欧洲核子中心负责人菲斯奈尔持非常乐观的态度,在2月9日声明:
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“亚琛事件”可能会撼动整个世界,或者至少是科学界。因为我们努力寻找的背景并未出现很多。因此更大可能是,这是第一例从电子中发散出μ介子中微子的事件!这会是很美妙的,不仅仅对于亚琛。就像机智的卡比玻所说:(这里的文字是从德语译成英文的)“你们知道,亚琛真正代表了欧洲核子中心!”(笑声,掌声)。[5]
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经验丰富的气泡室实验者发现亚琛事件中的电子特别引人注目。他们以擅长根据一些明确的实例做出重要发现著称。Ω-粒子因一张图片而被众人所承认,就像零式级联那样。乳剂以及云室研究小组也根据类似的“黄金事件”来编辑论据,包括第一批奇异粒子以及大量的K介子衰变。在一封写给拉加里格的信件中,菲斯奈尔援引了拉加里格早先关于类似光辉事例的声明:“我仍清晰地记得您在12年前所做的宣言,一个单独明显的电子足够证明μ介子-中微子与电子-中微子的特性。”[6]然而还有太多处于紧要关头的实验而无法立刻发布结论。此外,来自美国方面的竞争力似乎已远远落后。
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在看到此事件后,拉加里格告知菲斯奈尔接下来需要做的工作;协作团队要很多种实验去消除背景影响。[7]在高能物理学中,情况常常就是这样。这意味着要求助于电脑的数据库。
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在1973年2月6日召开了全体中微子协作团队大会,讨论这幅令人震惊的新图片。[8]从一开始,对每个人来说很显然最危险的背景就是电子-中微子通过反应(4.4)放出单体电子,但并未发现质子,可能是因为被重新吸入到核子中:
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电子-中微子+中子→电子+质子(未出现)。 (4.6)
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反应(4.6)只不过是一个普通的很容易理解的荷电流事件。在电传终端外部聚集了数据汇总磁带中录制的数据,含有无数扫描轨道的集体智慧:309次出现含有1个或更多质子的μ介子;质子数小于3个并且介子移动偏离粒子束5°以内的(称这些为“硬”μ介子)。考虑到30%的扫描效率,也是就是说扫描仪仅会发现30%的事件,这产生了如下公式:
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因为μ介子与电子的荷电流相互作用在加尔加梅勒室能量条件下是完全相同的,结果是获得相同比率的电子:
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数据汇总带显示在一半的体积内有11个含有质子的电子,给出不含质子的电子的期望值为0.6;因为在反μ介子-中微子胶片中电子中微子数要比在μ介子-中微子胶片中少7倍,所以由此产生的最终背景是0.09±0.07事件。
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