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实验是如何终结的？ [:1700965616]
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实验是如何终结的？ 高能物理学的规模
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20世纪30年代的宇宙射线实验在复杂的实验中开辟了新的领域。随着精密云室、真空管以及电子电路的发展，对于粒子相互作用细节的研究远远超出了麦克斯韦的想象，他曾对我们能否进入个体微观物理学现象研究领域不抱有信心。但在规模方面，从麦克斯韦的仪器到20世纪30年代宇宙射线设备改变并不那么显著。
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这样微妙的变化无法和宇宙射线物理学与20世纪70年代的加速物理学之间的差别相比拟。粒子物理学实验需要飞机库大小的实验区域，而非桌面或房间大小的装置。大多数建设于第二次世界大战之后的实验室在类似工业厂房的地方进行这些大型的实验。[1]直到20世纪70年代初期，已经有15个运行的主要高能加速装置实验室，其中8个位于美国，3个位于苏联，以及除跨国欧洲实验室——欧洲核子中心之外，位于欧洲的3个国家实验室。[2]仅在联邦政府资助的美国高能物理实验室，便有1700名物理学博士以及1200名研究生。[3]总计大约2200人构成了高能物理学领域领取薪水的劳动力群体，每年各方面需要消耗211700000美元，占联邦政府在物理学预算投入总数的三分之一。[4]
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实验者与理论家的一个区别就是人数。在热学、电学、磁学以及物理光学等传统领域，这两个团体相差1900人。虽然已经有一批包括普朗克和洛伦兹在内的纯粹的理论家；然而，对于大多数物理学家来说，进行实验是他们职业生涯中不可缺少的一部分。交替的竞争与协作，描绘了在原子物理领域内、正式始于1920年以后的理论与实验之间现代关系的特点。[5]即使在那时，理论家的数量仍然相对较少，并且在经济上和制度上完全依靠他们的实验室同事。
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随着量子力学的到来，两种文化之间的差距进一步拉大：理论家收获了足够成功并完备的全套工具，用以证明独立的存在性。在20世纪30年代，贝特、弗里、奥本海默、魏茨泽克、威廉姆斯以及玻尔等众多物理学家都以建立关于宇宙射线与核现象的理论以及培养新一代理论家为全职工作。在美国，理论物理学博士的论文数目大约徘徊在总数的10%：1930年99篇中有8篇；1931年98篇中有5篇；1932年112篇中有10篇；1933年127篇中有18篇；1934年111篇中有8篇；1935年149篇中有11篇。[6]直到1975年之前，这两类物理学家接受不同的培训，有不同的资助来源，并且在学科研究中以不同的方式前行。在基础粒子物理学领域，理论家的数量逐渐增加，到1968年，该数目略低于高级美国研究生总数的一半（682人中有316人）。[7]对于粒子物理学的学生来说，他们做出的选择给就业前景带来持续影响。博士研究期间选择实验或是理论基本上决定了其后博士后及可能的永久性职位的方向。[8]并且一旦这些学生成长为专业人士，仍有很大几率继续留在其所在的理论或实验文化，如表4.1所示。
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表4.1 实验与理论的连续性
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备注：撰写了两篇及以上弱相互作用文章的2075名物理学家中出版物的个数与几率。括号内表示几率的数字是除以总行数所得。Barboni.thesis（1977）.128.
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造成理论和实验的鸿沟加大的原因有很多，在此文中只会说明几个原因：第一，实验与理论技能要求更长期更专业的训练，无论是在实验角度的微电子学、低温学或者计算机，还是理论层面的群论或场论。这使得两个领域间的转化愈发困难，容易在每个单独专业身份的团队中营造一种感觉，使年轻的学生和研究生招生委员会更难辨别谁更适合哪个领域。第二，来自加速器物理学的需求开始对实验者与理论家造成空间上的隔离，即使有许多大型设备努力在加速器中保留理论组。第三，在第二次世界大战后的几十年里，实验的时间跨度从几个月增加到许多年，这进一步使得实验者脱离理论家。因为实验者有全职的工作，一直致力于他们大量的科学与工程项目，而那些倾向于关注问题领域技术的理论者经常会在一年的时间内改变研究课题。
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尽管之后众多加速器为物理学定下了基调，首批加速器并没有在实验者的直接工作中带来颠覆性的影响。在接下来的几年中，他们仅仅是将云室与乳剂从气球和山顶移动到了大型机械设备中。1952年，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明的气泡室替代云室后不久，一切都发生了改变。在路易斯·阿尔瓦雷斯和伯克利团队的控制下，气泡室引领了一个新的方向，粒子探测器的尺寸大幅增加到与加速器本身相同的程度。[9]
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在敏感状态下，气泡室含有温度略高于沸点的密闭液体以及足够的压力来避免形成气泡。当压力释放后，液体呈亚稳状态，在波动或干扰开始析出气体时即可沸腾。通过液体的带电粒子沿着运行的轨迹沉积热能。热量轨迹引起沸腾，形成了带电粒子穿过气泡室轨迹的视觉影像。这些气泡轨迹的图片提供了永久的记录，可以通过分析来确定动量、质量、衰变产物，以及原始粒子的特性。[10]
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许多不同种类的液体可以用于气泡室中，每种都有各自的优势与劣势。格拉泽在他最初的1立方米大小的容器中选择使用了乙醚，因为在接近室温的条件下，该液体很敏感而且并不太危险。在随后的几年里，有些工人开始使用液态氢，因为其原子核中只有一个质子。这意味着，当使用氢时，实验者将不需要考虑在较重的原子核中质子与中子间所发生的复杂的相互作用。不幸的是，液态氢是很危险并且很难保持液化状态的，因为它要求的温度条件处于仅比绝对零度高几度的范围内。
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除了更容易控制之外，重质液体室有着更强的阻止本领，使得在室中能够产生更多的相互作用，并且光束粒子在视野范围内更有可能衰减。增加的相互作用对于中微子物理学是特别重要的，因为这些粒子的截面特别小。同时，不可见的光子在转化为可见的正负电子对之前，在重质液体中的移动距离小于在氢中的移动距离。因此，此室一个额外的优势是其探测γ射线的能力，此能力加强了复杂相互作用的重建。例如，衰变为两条γ射线的中性介子非常频繁地产生于中微子相互作用中。在氢气泡室中，γ射线会无法探测，而在重质液体室中，可以看到正负电子对，重建γ射线轨迹，并进而推演出中性介子的轨迹。有人已经为高电荷重液核子的强阻止能力付出了代价。重液核子将带电粒子分散，贯穿整个气泡室，并且带电粒子古怪的路径使得精密的动量测量更加困难并且不太精确。
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在格拉泽使用首个气泡室后的十年内，实验者们建造了1立方米或者体积为拉格泽气泡室原型100万倍大的重液气泡室。一支来自巴黎综合理工学院的粒子实验者团队通过建造一系列丙烷以及氟利昂室为这些发展做出了贡献。1960年，在欧洲核子中心，他们操作了一台世界上最大的重液室之一。[11]凭借这些项目，在1963年的夏天，法国的物理学家开始筹划建造一台他们称之为“加尔加梅勒”的巨型装置，这台装置是以古代巨人卡冈都亚母亲的名字命名，体积为12立方米。实行此类工业规模的项目必须要专业的工程投入，这点我们稍后会提到。但在任何此类建设开始之前，建设的想法必需通过欧洲核子中心逐个层级组织的筛查。
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在世界上，每个大型加速器中心都是独一无二的，有其独特的项目批准结构、与外部实验室的关系、资助机构，以及各种内部实验室部门间的合作。但是，尽管存在着这些不同，这些大型加速器还是有某些共性：任何大规模的提案都必须通过委员会的决议，设立这些委员会的目的在于评估方案的科学价值、财政负担，以及对于其他实验室工作所带来的影响。此程序不仅仅用于筛查实验，也为物理仪器与实验目标设置了约束条件。这样的结构依稀效仿了20世纪30年代非正式授权的结构，这在斯特里特对于宇宙射线研究资金的要求中得到了生动的阐释。因此，至少一次去通过正式委员会的考验、按照高能物理学的方案去实行是值得的。
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下面介绍下欧洲核子中心的加尔加梅勒室。在1965年，欧洲核子中心对于项目批准的机制所起到的作用如图4.3所示。[12]实验室的最高管理机构是理事会，由来自每个成员国的两名代表构成。理事会的子部门为理事会委员会，与整体理事会相比，会更频繁地开会讨论有关成员国的所有问题，包括长期科学项目与财政问题。理事会委员会利用科学政策委员会（包括非理事会成员）以及财务委员会（从属于理事会）的专业知识以寻求关于这些问题的建议。
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图4.3 20世纪60年代欧洲核子中心主要项目批准组织结构示意图。实线表示加尔加梅勒方案为得到批准而必须遵循的步骤。
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理事会会长直接受理事会领导，负责管理欧洲核子中心的11个部门。在1965年，这些部门包括径迹室部门（包括氢泡室研究）、核装置部门（管理重液气泡室）、数据处理部门以及理论研究部门。为理事会会长提供建议的是两种委员会。其中一种是由实验委员会构成，为具体实验方案提供建议，与进行长期评估的科学政策委员会截然相反。另一种顾问机构为主管机构，由分别负责研究、应用物理、技术管理以及行政的主管人员与职员组成。（如有不明请参考图4.3。）要注意，实验委员会同样为科学政策委员会提供服务。因为这些委员会的主席依据职权担任科学政策委员。[13]
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安德烈·拉加里格（AndréLagarrigue），当时是巴黎综合理工学院的物理学家，在1964年2月，以给理事会会长维克托·魏斯科普夫（Victor Weisskopf）写信开始了加尔加梅勒的工作。[14]从接受博士训练开始，拉加里格一直在视觉探测器的传统中工作。作为一名学生他研究了路易斯·勒普林斯-兰盖的云室实验室（像众多其他气泡室物理学家所做的那样）。凭着他在巴黎综合理工学院成功的气泡室项目，拉加里格强调他有一支经得住考验的工程师及物理学家团队。更好的是，拉加里格得到了来自法国政府的财政支持承诺，以及至少一个来自意大利以及英国的实验室的投资意向。欧洲核子中心不得不承担运营及安置实验装置所带来的财政负担。此外，通过接受该装置，欧洲核子中心会致力于中微子重液气泡室物理学的研究。这样的决定必须符合其他项目的竞争需求，特别是氢室项目以及电子与乳胶组的项目。魏斯科普夫提醒拉加里格，这些问题必须在按照法国提案执行之前通过正常渠道解决。[15]
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在1964年4月9日，拉加里格与萨克雷实验室、比萨实验室、帕多瓦实验室以及欧洲核子中心的代表聚集在一起，与伯纳德·格雷戈里（Bernard Gregory）（研究理事会成员）及海因（M.G.H.Hine）（应用物理理事会成员）共同商讨此项目。早在最初策划阶段，欧洲的物理学家感受到，在中微子物理学领域，加尔加梅勒主要的竞争会来自美国，拉尔夫·舒特（Ralph Shutt）已经为布鲁克海文国家实验室拟建一座40立方米大小的氢室。如果该美国设备建造完毕，对于与会各方来说，“在10 GeV领域，该设备非常像是物理学的终极武器。并且在某些人看来，该设备建设的时间表会给重液室的参数选择带来相当大的影响”。[16]为了战胜布鲁克海文的氢室，拉加里格提议将设备的长度减少到4.4米以便能够在现有的欧洲核子中心建筑中进行操作。即使有此改变，该委员会仍要求提供关于照明、磁体更多的细节，以及科学政策委员会与财政委员会扩张的计划方案。
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为处理技术与政策上出现的问题，径迹室委员会（实验部门之一，详见图4.3）为理事会会长与科学政策委员会准备了一份综合报告《气泡室在欧洲核子中心与欧洲的未来》（The Future of Bubble Chambers at CERN and in Europe）。[17]首先，该委员会提醒管理部门早期欧洲核子中心的气泡室沿着加尔加梅勒所提出的管理线所建：无论是大学实验室或国家加速器装置。例如，拉塞福实验室、萨克雷或者德国电子同步加速器，都曾与欧洲核子中心有过合作。一旦这些室开始收集数据，这样的合作关系扩展到包括很多欧洲的小组。直到1965年，此系统出版了涉及40家欧洲实验室的250部关于气泡室的出版物。第二，该委员会建议，最近“欧洲在高能物理学知识领域所做的共享，很大程度上源于欧洲核子中心的气泡室项目，并且能够与美国在此方面所做的共享相提并论”。[18]
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在人们的心目中，不仅有加尔加梅勒这一个巨人。氢气泡室物理学家同样将目标聚焦到一个非常大的室，并且，在这两个组之间存在着某种竞争关系。[19]为了平衡两个室的利弊，以及为物理学提供可能的解决路径，欧洲核子中心径迹室委员会非常强烈地建议尽可能快地开始两个室的建设。[20]
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作为理事会会长，魏斯科普夫赞同径迹室委员会关于加尔加梅勒积极的报告。在给科学政策委员会的书面文件中，他提到了加尔加梅勒完工的速度，与其他各方面相比，这是重液室优于氢室的一个明显的优势。魏斯科普夫进而基于财务上的原因（欧洲核子中心投入到加尔加梅勒的费用仅需800万瑞士法郎，大约为200万美金）以及“健康研究只有在相关人员真正了解他们所使用的设备并且得到了解设备构造含义的实习训练后才可完成”这样的观点，表达了对实际应用国家建造的以及国际上广泛利用的机械设备的大力支持。该系统也会避免欧洲核子中心在欧洲设备建造领域占得垄断地位。[21]