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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。
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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.
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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。
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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。
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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:
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(1)W研究
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(2)横截面研究
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(3)部分子测试
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