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1700969220 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)。
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1700969225 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。
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1700969227 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。
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1700969229 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:
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1700969234 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.
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1700969236 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]
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1700969238 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]
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1700969240 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]
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1700969242 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。
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1700969244 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。
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1700969246 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。
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1700969248 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:
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1700969250 (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。……
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1700969252 (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]
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1700969254 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。
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1700969256 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]
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1700969258 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:
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1700969260 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]
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1700969265 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.
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1700969267 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。
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1700969269 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:
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