摘译 | 童国梁
20 世纪60 年代发展起来并逐步完善的电弱统一理论解释了过去电磁相互作用和弱相互作用的实验现象，并预言了弱中性流的存在。CERN在20世纪70 年代对弱中性流的成功检测对推动电弱统一理论的发展起了重要作用。本文概述了高能中微子物理在CERN的开端，并翔实地介绍了发现弱中性流的伽格梅尔(Gargamelle)气泡室实验。
中微子物理在CERN 历史中起着重要的作用。起始于20 世纪60 年代质子同步加速器(PS)的第一大项目就是为解决在理解弱相互作用的紧迫问题之一的中微子实验。这是一个长期项目的开端。它的亮点是在Gargamelle 气泡室中发现了弱中性流。从那时起，四十年过去了，这个发现对CERN以及世界的巨大影响至今仍备受瞩目。
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CERN 高能中微子物理的开端
20 世纪50年代末弱相互作用研究状态
当泡利(Pauli)于1930年以超乎想象的天才创造性地发明了中微子(当时还没有在实验上被发现-译者注)，这立刻成为研究弱相互作用轻子领域的最卓越工具。此后不久，费米(Fermi)在泡利的中微子假设以及当时刚发现中子的基础上以公式的形式建立了他的β衰变理论。第二年贝蒂(Bethe)和派尔斯(Peierls)计算了中微子引发的过程的截面，发现从发现它的角度而言此截面实在太小了。很久以后，1946 年蓬泰科尔沃(Pontecorvo)出现了，大功率的核电站到来了，这时获得大通量的反中微子才有了机会。科恩(Cowan)和莱因斯(Reines)也才得以在萨凡纳河的反应堆发现了第一个反应。他们观察到逆β衰变：
。在中微子的构想经过了26年后，1956年6月14日，科恩和莱因斯在发给泡利的电报中说：“我们高兴地告诉您，我们通过逆β衰变确实发现了中微子。”泡利回应道：“擅于等待的人必有所得。”
原子核和粒子衰变的实验研究展示这种相互作用是V(矢量)，A(轴矢量)型的。1957 年又证明了在弱相互作用中宇称被最大程度破坏，这件事导致了中微子的二分量理论以及弱相互作用的V-A形式。
人们由此获得了灵感，类似于电磁相互作用中的光子那样，也存在一种弱中间矢量玻色子。当时研究的主要衰变过程还仅仅涉及小动量转移，于是出现了有效4-费米子相互作用。CERN、Dubna 和BNL计划建造的加速器可以获得大动量转移，大动量转移的实验兴趣提升了，这些实验可以一般性地研究中间矢量玻色子是否存在以及弱相互作用的通常性质。
在研究μ子衰变：
和
中产生了另一个基本问题。轻子μ衰变是一个3 体衰变，包括一个电子和两个非同一的轻中性粒子，这一点是知道的。但并不具有令人信服的理由肯定它们就是粒子和反粒子，也许同时存在两种有区分的中微子。相同的问题也出现在试图理解为什么不存在
的衰变。如果假设这种衰变涉及一个中间矢量玻色子，那么，这种衰变不应该被压低。范伯格(Feinberg)认为如果与两个顶点关联的中微子是不同的话，那么这种衰变就会被压低。蓬泰科尔沃致力于2-中微子问题的讨论，并建议了实验上的解决方法。
CERN 的第一个中微子实验
在20 世纪60 年代已经意识到在CERN和BNL的新加速器上可以产生高能中微子束流。
CERN的质子同步加速器第一次运行是在1959 年末，而美国Brookhaven 的AGS加速器则在一年后的1960 年秋天运行。贝纳迪尼(Bernardini)在这决定性的时间恰好担任CERN的研究所长，他确信当时中微子实验在开辟前所未有的能量区域揭示弱相互作用性质的一个新的和有希望的研究领域的潜力，他特别强调两个急待解决的问题，即是否存在两种中微子以及是否存在一个中间矢量玻色子。
贝纳迪尼在1960 年的罗切斯特(Rochester)大会上做了CERN的中微子实验及其可行性报告。在他回到CERN 的两周后就出现了一份由斯坦伯格(Steinberger),克利宁(Krienen)和沙梅轮(Salmeron)提出的在CERN“探测中微子诱发的反应”的建议。三位作者研究了在CERN的PS 上用一个重液泡室探测器进行中微子实验的可行性。基本议题包括： 中微子源、中微子通量、屏蔽大小、事例率和目标。
贝纳迪尼于1960 年11 月向科学政策委员会(Scientific Policy Committee)提出了中微子项目情况的报告。安装这样规模的实验对这个还年轻的实验室来说是一个真正的挑战，因为它需要几个组的协调。
原初的布局后来被调整了，最后三个探测器投入运行，即理工学院(Ecole Polytechnique)气泡室，辅以电子设备的云雾室，以及新建的NPA气泡室(Ramm 1.2 米室)。
贝纳迪尼在1961 年的第20 届SPC 会议上宣布：“可能已经众所周知，在CERN我们打算实施的高能中微子物理领域的初步实验方案正经历着一场危机。”事实上，盖伊·冯·大德尔(Guy von Dardel)证明通量时高估了一个数量级，所以没有中微子候选者可以期待。此失败被归结为内靶束流光学的限制以及π介子简化了的衰变运动学。虽然增加一到两个量级通量的解决方案唾手可得，但要短期实现也是不可能的。因此在与BNL组的竞争中输了。竞争对手已在1962 年发现了两种中微子。
既使这第一个实验没有带来预期的成功，但却是CERN 的高能中微子物理的开始。到了第二次尝试时，弱点已被克服。在机器方面的一个重要的成就是实现了质子束流的快引出。现在外部质子束流轰击到一个长的簿靶上。而产生的次级π介子和K介子通过范德米尔(Van der Meer)磁角(magnet horn)被有效地聚焦。中微子通量增加了两个多量级。屏蔽也得到改善，并且CERN NPA 重液泡室(Ramm泡室)与火花室阵列一起使用。1963 年锡耶纳(Siena,意大利)大会时已准备了实验结果。随后1964 年充氟利昂(Freon)的Ramm 泡室持续运行。直到1967年改充丙烷。
贝纳迪尼的倡议开启了一个长期的项目，并最终导致了发现弱中性流的这个十分重大的结果。
图1 贝纳迪尼在CERN礼堂报告1963年锡耶纳大会的结果
弱中性流的早期寻找
在20 世纪50 年代末，弱作用过程被描述为两个弱带电流之间的相互作用。被激励的理论物理学家很快就考虑中性流和中性中间场。费曼(Feynman)和盖尔曼(Gell-Mann)在他们发表的论文中注意到：“我们故意忽略了一个包含像
等的中性流以及可能与中性中间场耦合的可能性。没有弱耦合是已知的，需要存在那样一种相互作用。”当时也出现了其他猜测弱中性流含义的文献。
用V-A理论成功描述所有已知低能弱作用过程唤起了大家对更高能量行为的注意。李(Lee)和杨(Yang)在1961 年发表了即将到来的中微子实验基本问题目录。其中有寻找弱中性流的课题。但在实验方面的情况却令人沮丧。
2
弱中性流的发现
气泡室Gargamelle
在锡耶纳大会提交的结果展现了对未来弱相互作用研究的巨大潜力。以第一个中微子实验得到的经验，拉格利(Lagrrigue)和其他人一样认识到下一代实验必须要以大得多的统计为基础。他梦想建造一台满足下列要求的气泡室：
• 高一个数量级的事例：
需要很大的靶质量和很强的通量(增强器，聚焦)
• 很好的μ子和电子的鉴别能力：
需要把μ子从带电π介子中识别出来，这就需要在泡室中有很长的径迹。
• 详细的关于终态的知识：
必须识别强子，通过它们衰变成两个光子来识别中性π介子，通过它们的衰变来识别K介子，通过在泡室中的相互作用来识别中子，通过一个可见的相互作用来识别带电强子。
结果是建造了一个长5 米、直径1 米的充满重液的气泡室。就以法国一个故事中的人物把它命名Rabelais Gargamelle。图2 展示了Gargamelle 之父，拉格利古(André Lagarrigue)。
图2 Gargamell之父拉格利古
拉格利古于1964 年成为奥尔赛(Orsay)大学教授，在1969 年担任LAL Orsay 所长。他组建了包括有七个实验室参加的欧洲合作组，这些实验室是：亚森(Aachen)RWTH第三物理研究所，布鲁塞尔的ULB，CERN，巴黎理工学院，米兰大学物理研究所，LAL Orsay 以及伦敦的大学学院。今天，Gargamelle实验以发现弱中性流而著称，但是在准备这个物理计划时期，这个题目甚至没有被讨论，在1970年送交的建议中也被置于较低优先级。
图3 安置于磁体线圈内的Gargamelle气泡室
图3 展示了插入线圈中的气泡室室体。注意到在室体旁堆放了大量的重物质。1971年开始测量和记录改进的中微子和反中微子宽带束流。实验胶片被七个实验室分享。严格的扫描和测量规则确保了在所有实验室都有相同的标准。基于先前在Ramm室的中微子实验的经验，事例被分为以下四类：
(A) 带有一个μ子候选者的事例
(B) 没有μ子候选者的多叉事例
(C) 质子星
(D)单电子或单正电子或光子
挑战
研究核子的部分子结构的数据分析进展良好，那时Gargamelle 的理论界朋友，特别是帕仁特基(J. Prentki)和盖亚尔(M. Gaillard)向合作组指出弱相互作用理论的突破已经实现：格拉肖-萨拉姆-温伯格模型(Glashow-Salam-Weinberg model)把电磁和弱现象同时包括在一个局域规范理论中。此模型是可重整化的，并且，除了众所周知的带电流过程外，还预言了弱中性流，这些结论立即让大家激动起来。如果真是那样的话，我们应该在Gargamelle 中观察到末态不含带电轻子的中微子所引发的事例。尽管还没有准备做那样的搜寻，但鉴于高度相关的话题，合作组还是不失时机地接受了挑战。如果存在的话，那么中性流引发的事例应该已经呈现在B 类事例之中，只是等待去识别。不过，人们一
开始就清楚认识到中子本底将是个问题。
随着工作不断向前推进，1972 年12 月亚森(Aachen)组在反中微子胶片中发现了一个令人兴奋的事例。它是由一个完全孤立的单电子组成的，这被解释为轻子中性流候选者，因为所有常规的解释都已被安全地排除了。这个极其清晰的事例后来作为教科书上的著名范例。但在中微子的胶片上并没有发现那样的事例。在格拉肖-萨拉姆-温伯格模型的框架内的这个解释对弱混合角提供了第一个约束。
1973 年3 月的情况
不到一年内，一个相当大的强子中性流事例样本得到了。拉格利古(Lagarrigue)1973 年3 月在CERN主持了合作组会议。
图4 中性流候选者
图4 展示了一个中性流候选者。终态中明显没有轻子。顺着径迹可以觉察到一个强相互作用，因此判定它的强子性质。
有很好的理由值得欣慰。实际上，三个论据似乎暗示出现了一种新现象：中性流候选者的分布看起来好像是类中微子(neutrino-like)的、中性流候选者与带电流事例的比率、中性流候选者不像是类中子性的。
否则因为中子的相互作用长度比泡室的尺度小，进入的中子数在泡室的前半室会跌落。这一点被奥尔赛(Orsay)组简单假设在泡室入口窗放置一个中子源的蒙特卡罗计算证实。
但欣快情绪也由于两条反驳意见而降温：中微子通量具有很宽的径向分布、高能中子在铁屏蔽体中呈级联增值。
在此次热点会议结束时，大家都清楚了中子本底的定量估计是绝对必要的。只有无疑地显示了中子本底的贡献比观察到的中性流候选者事例小的时候才能声称发现了这个新效应。
中子本底
到1973 年7 月初，处理本底的程序已经准备好了。当时，此结论在合作组内进行了紧张的讨论。本底计算中的所有因素都被严格审查。修改程序的模块结构便于立即回答某些特设的修改建议的结果，特别是关于级联处理方面的修改建议。
到了1973 年7 月底整个合作组被说服了，他们确信观察到的没有终态带电轻子的事例构成了一个真正的新效应，并把论文投给《物理快报》发表。而那个单电子事例的论文也已于几星期前投出。
激动人心的秋天
一个月后该发现就在波恩(Bonn)的电子-光子大会上报告了。哈佛-宾夕法尼亚-威斯康星合作组(HPW)也在大会上报告了他们刚刚得到的观测结果。在专题分会上，作为这次大会的亮点，杨振宁(C.N.Yang)在终场报告中宣布了弱中性流的发现。
尽管如此，一些著名物理学家还是质疑本底计算的正确性，认为低估了本底，特别是关于核子级联的乐观处理。这可能使得所声称的发现成为泡影。
尽管Gargamelle 的回答是安全和合理的，但怀疑仍然很强烈，并且当HPW合作组在改良后的装置上不能重现该测量结果的谣言传开时怀疑就进一步增加了。针对这些质疑，CERN的管理层决定做一个判断性实验来证实或证伪中子本底计算的正确性。
质子实验
从质子同步加速器取得固定动量(4，7，12 和19GeV)的单质子脉冲送到Gargamelle。执行了两轮实验。第一轮在1973年11月底，另一轮在同年的12月中旬。入射质子就像中子那样开始了级联。现在这些级联可以被观察和研究。图5 展示了由7GeV质子所引发的级联的例子。使用中子级联程序时，现在只需把初始条件设定为给定动量的质子。
图5 由Gargemelle泡室底部进入的一个7 GeV质子所引起的多步级联例子。第一次相互作用后发生了一次电荷交换，级联由一个快次级中子继续，转而的相互作用发射一个再一次发生相互作用的快质子，这次相互作用产生一个π0 介子和一个中子，而这个中子在接近可见体积的末端的下游进一步发生作用
为了理解强子相互作用和级联过程，需要对实验做定量测量，并与理论模拟进行比较。为此，该实验引入了两个可观测物理量：把第一个具有至少150MeV能量沉积的可见相互作用(visible interaction)的距离定义为可观测相互作用长度(apparent interaction length)；而把沉积能量至少为1GeV的最后一个相互作用的距离称为级联长度(Cascade length)。
这些测量和其他测量以及被中子本底程序预言之间的吻合确认了在有关那个发现的论文中所提到的本底估计的正确性，也驱散了所有的无端的批评。
这两轮实验的分析于1974 年3 月底结束，并在1974年4 月华盛顿的APS会议上报告。
确认
约在1974 年春天，涌现了存在弱中性流的充足证据。首先，Gargamelle 合作组都增大了证实他们原初发现弱中性流存在的事例样本，此外，还通过质子实验确认了中子本底计算，以及基于中微子和中子在泡室中引发事例的位置和不同的相互作用长度对本底做了独立确定。
加州理工学院-费米实验室(CalTech-Fermilab)实验组在45 GeV和125 GeV二种能量下进行了中微子实验，他们发现了一个清晰的无μ子事例。带电和中性流事例由它们在量能器中的事例长度加以区分。这个新方法后来得到许多的应用。
在12 英尺ANL气泡室中观察到了相当数量的νn → νpπ- 和νp → νnπ+ 事例。这是一个专有中性流道的首次观察。
最后，HPW合作组也认识到了为什么他们当时丢失了最初中性流信号的理由，并给出了清晰的信号。
Gargamelle 合作组于1973 年公布了他们的发现，并坚决地反对所有批评。一年后，最后一个怀疑者也被说服了。
弱中性流的发现对高能物理开启了一个长期的发展。弱中性流的实验和理论研究导致了在基础科学前沿以及技术和能量前沿的空前进步。这一切在40 年的回顾中都是显而易见的。弱和电磁现象方面所取得杰出的成就即是现在它们已用一个电弱规范理论所共同描述。
摘译自《60 Years of CERN Experiments and Discoveries》中Dieter Haidt 撰写的The Discovery of Weak Neutral Currents 一节。希望了解更多细节的读者也可参考“CERN 60 年的实验与发现”中译本(将于近期由科学出版社出版)的相应章节。
原载：《现代物理知识》 第30卷第2期 《弱中性流的发现》，有删减。
来源：中科院高能所
发表于 2018-5-31 12:28
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