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实验是如何终结的？ [:1700965627]
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实验是如何终结的？ E1A：构成与参与者
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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。
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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。
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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）。
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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。
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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：
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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]
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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。
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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.
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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。
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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.
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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：
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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]
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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。
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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。
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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。
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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。
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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）。
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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。