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《实验是如何终结的?》模型、背景与定论

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并不是所有人都被说服,包括那些基于他们自己对各种论据表示赞同的人。在1973年5月17日,中微子协作团队在欧洲核子中心召开一次会议。是时候就单电子研究给出最终的评论了,但中性流子组凭借一份详实的进度报告主宰了整场会议。普利亚提出一种方法,能够完全根据在室的可视范围内事件的特点估计出中子背景。以无μ介子的事件为例,假设它是由一个中子造成的,并计算出在无任何相互作用的情况下中子在室内已经移动的距离(潜在路径),然后测量从潜在路径的起点到发生相互作用时所在位置的距离。如果大部分中性流备选是由中子产生的,应该会出现很多事件,其中实际路径与潜在路径的比率趋近于0。相反地,如果真正的中微子造成了无μ介子事件,那么实际路径与潜在路径的平均比率应正好为50%。中微子在潜在路径起点发生反应的可能性与在终点相同。[1]

普利亚从内部进行的分析避免许多关于设备周边物质分布或中微子进入实验区的流量的假设。在同一次会议中,巴尔迪(R.Baldi)与缪塞提出了另一种内部分析,涉及室范围内的进入内壳层与外壳层的虚拟区域。如假设所有的中性流备选都是由中子引起的,法国的物理学家可以估算出“本源的”荷电流事件发生在合适范围内的外壳层的可能性。他们的结论是:“此类事件无法用中子解释。”[2]

同时,其他几个研究组加紧努力,想要制成计算机合成的中子背景蒙特卡罗模拟(从外部分析)。伯纳德·奥贝特(Bernard Aubert)发表了一篇带有初始结论的论文,但当他说到纯中子背景预测的关联事件数要比观察到的多十倍这一假设时,他表达出的倾向没有招致任何质疑。在奥赛,维来尔与布鲁姆(D.Blum)完成一件关于线圈以及防护层中物质分布的高度简化的电脑模型。对此他们还附上了中子能量分布与角度分布的粗略估计,并使用计算机对背景做出大量预测。同时,欧洲核子中心研究组制定好了自己的蒙特卡罗程序。[3]

只有输入模型的参数或者程序员精密的设置才能使蒙特卡罗模型起到良好的作用,“输入的是垃圾,产出的也就是垃圾”。对于中子背景来说,有几项参数对于程序来说必须要符合实际,有其所代表的含义。一项重要数据是中子相互作用的长度,Λ。(假设大约一半——1/e——的中子会发生相互作用,如果他们移动Λ距离。)一般而言,编写程序的物理学家会使用不同的Λ值来进行研究,希望最终的结果不会过于敏感地受他们选择的数据影响。甚至在实验结束十年后,在欧洲核子中心EP大楼的地下室里仍到处是装满卡梅里尼、奥苏拉蒂、普利亚以及其他同期的物理学家打印出的实验数据的纸箱;每个纸盒上都标有“Λ=70厘米;Λ=50厘米”等。[4]

利用各种相互作用长度,有几个人制定出“粗略”的分析方法来估算中子背景。鲁塞倡导一项技术,由于其简易性而特别受到协作团队成员的广泛关注。[5]此方法的核心是进入室内的中子与粒子束中产生的中子相平衡这一思想。(在几年前,一名从事早期欧洲核子中心中微子气泡室实验的研究生便提出过类似的方案,尽管得出了迥然不同的结论。)[6]鲁塞的推理方法的好处在于简单地通过推导B(背景中子诱发的假中性流事件的数量)与AS(关联事件的数量)的比率。通过计算这个比率就可以完全摆脱对中微子绝对通量的依赖。更好的是,因为关联事件的数量能够在扫描气泡室胶片的过程中轻易统计,所以背景B也会很容易获得。如果B的结果要比观察到的无μ介子事件少很多,结论可能会是他们不是中子。鲁塞的分析是基于3个简单的公式4.9—4.11,可以很容易地以各种方式推广以实现更多实际的估算:

在这里,N代表在看似中性流事件中中子相互作用的比率。也可以根据Nv的形式来计算N(中微子事件产生中子的比率),以及α(产生满足中性流标准的事件的中子比例)。假设液体的长度是无限的,在这样的条件下中子发生相互作用:

最后,关联事件的数量AS,是根据上述计算结果以及〈P〉(探测中子相互作用的可能性)计算。如果中子产生于基准范围内,则:

因此,

假设一个中子是由一个中微子在距离基准范围的下游端L时,在基准范围内产生。P(该中子在范围内产生中性流事件的可能性)以此公式计算,

在这里λ是测量到的在气泡室液体中典型中子相互作用的距离。因此,

以及

根据这个运算B/AS的公式以及测量到的关联事件的数量(AS),背景事件B的数量可以很快求得。随着其他协作者为他的模型做出更多精确的数据输入,鲁塞的论据也变得更加稳固。关于中微子通量径向分布、气泡室周围物质密度、中子级联的特性以及中子能量频谱的更好的信息逐渐累积。有些计算方法改变了B的计算结果。但即使是当电脑模拟从数值上解决了这个问题,中子背景只能解释仍不超过20%的中性流备选。[7]

在鲁塞的方案中,许多数据输入取决于细致的中子动力学建模。因此,现有工作中没有能够令威廉姆·弗莱和迪特尔·海德特满意的。首先,他们担心没有人充分地研究了中子撞击核子、重新发散,进而在此产生相互作用的可能性。此外,一旦与核子发生撞击,一个充满能量的中子可能会撞散其他的中子和质子,这些中子和质子本身可能会再发散多次。这样的中子级联可能会造成超过级联距离Λc的假中性流事件,该级联距离可能会远远长于平均的相互作用距离Λi——中子在发生首次撞击前移动的距离。因为更长的相互作用距离意味着更多中子诱发的背景事件,所以似乎完全有可能期待的中性流效应可能会消失在这更大的背景中。[8]大多数协作团队都忽略或不予理会利用高度简化的中子动力学模型的中子级联;弗莱和海德特发现他们的论据完全没有说服力。

在1973年5月17日召开的会议中,弗莱与海德特向他们的同事展示了第一个近似的电脑生成的级联模型,该模型考虑到了室周围各种密度的物质,粒子束中中微子的径向分布,产生于防护层中的中子的角度和能量分布,以及中子级联的简化模型。[9]电脑随机在磁体与防护层中产生荷电流事件,并追踪每颗发射出的中子,直到与核子发生第一次撞击。

在碰撞后,中子的能量为ξE。其中,E是初始能量。对于任一给定中子,电脑按预定的分配方法随机安排一个“弹性”值ξ。因此,对于弹性值为1/2并且初始中子能量为100亿电子伏,在发生一系列碰撞后,放出的中子中含有的能量为5、5/2、5/4等,以此类推。当然即使对于一束能量相同的中子来说,也会有弹性值的分布。中子会从碰撞中反弹出来,带有与其他中子相比不同比例的初始能量。此外,弹性值的分布取决于中子的初始能量。弗莱和海德特证明中子在室内的扩散很大程度上取决于弹性分布的形式以及中子的能量。

在许多情况中,电脑告诉他们背景要比他们的同事所怀疑的更不那么容易确定。虽然在5月17日的会议中,弗莱和海德特只是想要“给出一些初步结果”,但他们的消息还是令人感到不安。有由于级联带来的风险,特别是那些从室的侧面进入的中子,假中性流事件的分布范围在室内看不见的区域内可能会快速地缩小。尽管如此,假中性流事件可能会均匀地分布在加尔加梅勒的可视范围内。这是蓄谋已久的事件转变。因为,如果弗莱和海德特的分析站得住脚,那么基于中性流备选的古老观点便开始出现漏洞。[10]

从1973年5月17日之前几周紧张的筹备阶段到7月份结论的发布,弗莱和海德特一直在努力说服他们的同事,在没有细致的级联计算以及现实的弹性分布情况下,中性流的证明最多也只能算是不完整的,甚至有可能是错误的。大家都认为说服过于勉强。团队的其他成员都制定了各自的方法,因此海德特的观点“所有截至目前所做的中子背景计算都是不切实际的,因为他们都没有考虑强子级联”,并不受大家欢迎。弗莱和海德特质疑“整个中性流效应”。[11]事实上,在《物理评论快报》上发表的一些早期的论文草稿中,缪塞对古老的内部计算的重视程度明显要高于在第一版中所呈现的。对于缪塞来说,类似的计算,连同空间分布以及不同中子相互作用距离的模拟程序所提供的论据,已经足够了。[12]级联计算对于说服缪塞相信中性流存在这个目的来说是不必要的。

弗莱和海德特没有时间在首次发布(1973年7月23日发出)前针对他们对B/AS的确定结果进行误差线的计算,这也是事实。然而,他们两个确实针对第一篇论文的内容及时引入一种简洁而有力的论据形式。正是这种限制中子诱发的事件数目的论据为加尔加梅勒研究组所援引,作为在许多后来发表的作品中的核心证明方法。例如:如果悲观地制定蒙特卡罗模拟程序,基于假设所有观察到的中性流事件都是由中子引起的,进而得出的B/AS值与从测量到的关联事件数量中获得的B/AS的值完全不符。

但弗莱和海德特为使级联计算结果更加实际所做的不懈努力花费了大量时间,并且在电脑运行的最后那几个月里,包括拉加里格在内的一些协作者,开始对他们拖延协作研究的进程失去了耐心。弗莱为能解决级联问题而自己所做的奋斗带给他的不完全是舒服的感觉,即使是在1973年结论发表时,断定中子背景问题已经被真正地解决。对此,弗莱坦率地说:

我记得曾经与拉加里格谈论过中子级联的问题。但他说:“你知道你在将协作团队拖入泥沼。我们想要证明我们发现了中性流。”拉加里格说中子级联是不重要的。作为一名访问者,对此我感觉很糟糕。但我仍坚定地认为,如果要做实验,最好能够解决出现的问题。因此作为这样一个坏脾气的人,我坚持下来。迪特尔·海德特和我偏离主流很远,因为我们比他们任何人都更担心中子级联。[13]

1973年7月首次宣告结果前的几周充斥着焦虑情绪。人们必须就中性流事件的阐释做出决定,并且风险很高——对于物理学家个人、对于加尔加梅勒,以及对于整个欧洲核子中心。协作团队的某些成员建议采用可能的新型背景;其他的则试图证明类似的模仿效应无法大到去解释完全过剩的中性流备选。例如,维来尔回想起拉加里格几乎每天都非常气愤地冲进他的办公室,带着一个新的、巧妙地人为来源的可能背景。[14]在缪塞即将宣布中性流的发现仅仅几天前,埃托雷·菲奥里尼发现自己深深地陷入对K介子再生的担忧中,只有在他给缪塞写信不久之后,他才说服自己相信这不是问题,因为K介子会产生其他的陌生粒子并且都没有被观察到。[15]因此,通过利用大量的途径、技术、启发式的论点、早先的数据、理论以及模型,该协作团队的成员说服他们自己坚信他们观测到了一个真实的效果。

所以说,没有任何一个单独的论据在推动实验完成方面比得上将μ介子引入物理学家的研究项目所做出的贡献。在这两种情况中,是一个完全聚集了完整论据的共同体。在20世纪30年代,该共同体已经开始在研究小组间起到作用。到了20世纪70年代,物理学家已经在研究组内大量重建相关的社会与知识共同体。因此,欧洲协作团队的其他物理学家针对每个对背景提出的质疑组成了审阅人共同体。例如,海德特提出级联计算。其他的对于设备与不同实验思路有深入了解的人员,有提出重要的反对意见以及建议这一独特职责。几周后,海德特带回一个更加复杂、更加实际的方案。从这个意义上讲,尽管成员个人会有显著的贡献,协作团队作为动态异质集合而非同质集合发挥作用。

当然,对于研究组商议结果来说,论据并不是唯一的决定因素。并且事实上,不再延迟发表的最终决定几乎与加尔加梅勒中的物理学无任何关系。在1973年7月初,卡罗·鲁比亚(Carlo Rubbia),也任职于欧洲核子中心,让大家都知道美国的研究紧跟加尔加梅勒的脚步。根据许多参与者的说法,这打破了原本就已倾斜的平衡,并推翻了已经做出的要发表结论的决定。不是所有人都对最终稿中呈现的论据感到完全满意,[16]但协作团队一致认为他们已经控制了背景。在1973年7月19日,缪塞在欧洲核子中心召开了一次研讨会,在会上宣布了这一发现。在6年后的7月25日,该论文发表于《物理评论快报》。他们关于单电子的论文在三周前便已收到。[17]

在《物理评论快报》中发表的总共3页的文章中,作者展示了一幅论据示意图以支持他们所声称,在中微子运行中产生的102个中性流事件、428荷电流事件以及15个关联事件(在反中微子中为64个中性流事件、148个荷电流事件以及12个关联事件)与背景影响不符。其中包含了几个我们在上文已经详细描述过的论据。首先,就荷电流与中性流备选来说,各种类似于空间与能量分布的特性是很相似的。如果无μ介子事件是由中微子以外的因素引起,会非常令人感到惊讶。第二,通过“潜在路径长度”(普利亚类型)分析得出,荷电流与中性流事件的明显相互作用长度与中微子几乎无穷的穿透距离相符。第三,作者提到他们已经排除了慢速μ介子会被误认为质子,并进而被错误地归类为中性流事件的可能性。第四,该团队指出中微子与反中微子事件会产生不同的中性流/荷电流比率,如果是由中性强子所引起的,将会是无法预计的。第五,(如在菲奥里尼写给缪塞的信中所提到的),中性K介子是不可能存在的,因为他们应该会产生λ粒子,但实际上并未发现。第六,鲁塞的平衡论出现,尽管仅被缩减为一句话。所得出的结论:B<AS支撑了反中微子的结论,因为这样的不平衡暗示在中微子中性流备选中含有不超过15个中子背景事件。最后,提出了蒙特卡罗方案来阐明对于级联可能会就观察到的NC/CC比率所做的解释。

在类似言论与图4.28那样的整洁的概要图中蕴藏着多年的努力工作,逐渐聚齐了这7个论据,并且埋藏在明显地简单反背景论据形式下面的不是A、B以及C,而是很多部分自主路线的说服方式。但他们是那样的路线,一旦聚集在一起,将会使来自比利时、英国、法国、德国、意大利、瑞士以及美国等世界各地的物理学家群体在一种新的物理学上以自己的名誉为赌注。

在早期的初稿中,该论文便已通过将研究的动机归于要更新涉及中性流的统一的、可重正化理论而为众人所知。[18]对于最终版本来说,相关协议使实验者与类似的抽象理论保持一定的距离,并且缪塞在引言处潦草地写一个很大的X。[19]只有在结论中,作者们才够断言他们的数据“能对于除中子以外的穿透性粒子、主要衰变为强子的重轻子,或者由中微子产生并且与中微子束相平衡的穿透性粒子,够归因于中性流诱发的反应”。尽管如此,第一篇关于强子的论文的最后一句话仍回到了弱电理论,给出了中性流与荷电流的比率,并且总结了加尔加梅勒实验结果会将温伯格的参数sin2θ固定在0.3到0.4之间。

图4.28 第一篇加尔加梅勒强子中性流发表论文中的图片,1973年。沿中微子束轴的事件分布:(a)含中微子束的中性流事件;(b)含中微子束的荷电流事件(具体分布基于总的中微子胶片1/4的参考样本);(c)中微子束标准的NC/CC比率;(d)含反中微子束的中性流;(e)含反中微子的荷电流事件;(f)含反中微子束的NC/CC比率;(g)测量到的中子星,能量为E,100 Mev<E<500 MeV,并且仅含有质子;(h)根据蒙特卡罗模拟得出的背景事件分布。来源:Hasert et al.,“Without Muon,”Phys.Lett.B 46(1973):139.

在首个加尔加梅勒实验结论于7月份发布之后,弗莱和海德特仍需要提炼他们对于级联的分析。的确,当1973年8月末在德国波恩召开会议时,观众在他们咄咄逼人的询问加尔加梅勒实验代表的问题中,特别挑出了中子背景。到那时,弗莱和海德特已经改良了级联计算方法,现今已经包括了中子输入参数的不确定性导致在背景中可能出现的错误。加尔加梅勒的临时发言人,弗雷德里克·布洛克(Frederick Bullock)播放了一部幻灯片,总结道:“要使用中子来复制绝对数量的中性流事件会需要关于中子能量分布的一种荒诞的假设。”因为存在计算误差的情况,该团队现在可以说有90%的把握确定背景事件的数量不会超过观察到的备选数量的30%。这是最坏的情况。在更多合理的假设下(基于观察到的荷电流事件发射出的质子的移动),存在更少的假事件。[20]回想起他自己在首个中性流结论发布之前的感觉,布洛克写道:“最后的背景计算,以及唯一说服我们大多数人相信问题最终已被解决的计算都是由海德特和弗莱完成的,这一过程历经数月的艰苦工作以及大量一知半解的批判。”[21]当然,不是每个人都同意布洛克的结论,但这确实表明了级联方面的工作对于协作团队中的一些成员是多么地具有说服力。

在1973年秋季,美国协作团队E1A指责中性流是最大的谎言,其根本不存在。因为名誉受到侵害,欧洲的协作团队开始致力于研究支撑中性流的原始事例:设计了一项基于质子与中子相似性的后续实验。质子与中子进行相同的核相互作用,但其优点是会在气泡室留下痕迹。因此,它们像中子那样诱发了核子簇射,但在气泡室中留下了发射角度以及相互作用的距离。事实上,从气泡室中质子的反应便能了解到足够的信息去直接确定背景B,而无需像之前那样通过B/AS间接计算。[22]利用他们的级联计算程序,弗莱和海德特预测出质子束实验的结果。并且在1975年1月,几乎是在第一篇关于加尔加梅勒发现成果的论文发表后的一年半,两位级联方面的专家很满意地提出:“实验结果与计算结果良好的一致性证明,后面确定核子级联的参数的正确估计是合理的。”[23]

到了1974年1月,作者们对于他们所从事的核子物理学B的工作有了更为全面的总结。其中包括一些弗莱和海德特蒙特卡罗方案产生的B/AS的数值,包括中子能量与角度分布输入值方面的误差。并且该团队首次能证明数据的稳定性,即使是在程序员改变包括弹性分布在内的重要级联参数时。甚至在最坏的情况下,对于荷电流事件来说,无μ介子事件的数量过大,已经无法靠中子背景来解释。依照加尔加梅勒项目的物理学家判断,“事件会按照预期发展如果他们是由中微子与反中微子诱发的中性流过程引起”。[24]

但并不是所有人都如此乐观。在1973年11月到12月,另一支校际间高能实验者组成的团队发现中性流并不存在。为了正确理解接踵而至的事件,我们需要回到20世纪60年代末期并了解为建造当时美国最大加速器而制定的物理计划。


注释

[1] Cundy,“CERN Meeting,17 May 1973,”CERN-TCL,21 May 1973.

[2] Baldi and Musset,“Self-contained Method,”CERN-TCL,16 May 1973.

[3] [Vialle and Blum],“Simulation,”TM,Orsay,15 May 1973.有关奥贝特的著作参见Cundy,“CERN Meeting,15 May 1973,”CERN-TCL,21 May 1973.奥尔赛蒙特卡罗更详细的解释参见Blum,“Simulation de neutrons,”TM,Orsay,11 September 1973.

[4] Camerini,computer output:QQ6116TCL batch EO,6 August 1972,time:14:57:01.MP.

[5] Roussel.“Calcul”CERN-TCL,22 May 1973.Cundy,interview,27 November 1980.

[6] Young,“Neutrino,”CERN Yellow Report 67-12(1967).

[7] Rousset,“Neutral Currents,”Philadelphia(1974),141-165;Rousset,“Calcul,”CERN-TCL,22 May 1973.

[8] 瓦克斯穆特用欧洲核子中心蒙特卡罗项目存在的观点抨击该问题。参见Wachsmuth,“Neutron Cascade,”CERN-TCL.24 May 1973.早期弗莱和海德特讨论关于串联问题的著作参见“Neutron Flux,”CERN-TCL.22 May 1973.Haidt to author,9 July 1986.

[9] Fry and Haidt,“Neutron Flux,”CERN-TCL,22 May 1973.

[10] Fry and Haidt to author,9 July 1986.

[11] Haidt to author,16 November 1984.

[12] Musset,first two drafts of Hasert et al.,“Without Muon,”4 July 1973 and before 18 July 1973,MP.

[13] Fry,interview,30 May 1984.

[14] Vialle,interview,28 November 1980.

[15] Fiorini to Musset,11 July 1973,MP.

[16] 例如,坎迪当时不认为该论文能使人充分信服(1980年11月坎迪,缪塞和维来尔的采访)。1973年7月普利亚也十分担心结论,直到在费米实验室的E21结果公布才有十足的把握。Pullia,interview,3 July 1984:Fiorini,Roilier,and Bellotti,joint interview,11 July 1984.关于E21参见Barish et aI.,“Results,”London(1974):IV-III-13.

[17] Hasert et al.,“Without Muon,”Phys.Lett.B 46(1973):138-140;Hasert et al.,“Muon-Neutrino Electron Scattering,”Phys.Lett.B 46(1973):121-124.

[18] Musset,draft 1 of Hasert et al.,“Without Muon,”4 July 1973,MP.

[19] Musset,draft 2 of Hasert et al.,“Without Muon,”no date,but between 4 July 1973 and 18 July 1973,MP.

[20] 参见布洛克,波恩会议的分组讨论演示稿,1973年8月(未出版),布洛克个人论文。“结果可用于波恩会议演示,中子后台最多可弥补10%的可观测备选中子流。”参见Fry and Haidt,“Neutron-induced Background,”CERN Yellow Report 75-1(1975)p.1.

[21] Bullock to author,5 March 1984.

[22] Fry and Haidt,“Neutron-induced Background,”CERN Yellow Report 75-1(1975).海德特称波恩会议后的阶段为“危机期,”并在1986年7月9日告诉作者说,“作为一名科学家,我的名誉被质疑了。”

[23] Fry and Haidt,“Neutron-induced Background,”CERN Yellow Report 75-1(1975).

[24] Hasert et al.,“Without Muon,”Nucl.Phys.B 73(1974):2.