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《实验是如何终结的?》“怀疑的阴影”

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1973年初春至9月间,哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室小组(HWPF)对自己的论证结果进行了巩固——对照蒙特卡罗法、修改参数、使用理论数值替代测量数值。成员们的信念慢慢地加深,在当年8月3日亲手递交“观察”报告时到达了信念的最高点。在决定将研究结果公之于众时,小组面对了崭新的、更为广泛的受众群体——初次审稿时面对的就是《物理评论快报》严格的审稿人。这些审稿人坚持认为,报告作者做出的这些明确论证在研究小组内部仍然是含蓄未明的:如何使用测出的数量计算中微子通量?对由侧面进入的强子应该如何评估?审稿人集中关心的是事件的核心问题:对中性流效应的存在有多大把握?[1]

于鲁比亚而言,中性流效应的统计显著性是毋庸置疑的。1973年8月末,鲁比亚在评论他人发言时强调:“在我看来,重要的问题是中性流到底存在与否,还没有达到研究分支比比值这一步。我们获得的效应证据具有六个标准差。”[2]然而,在精细的问题上统计数据具有不可信性,这一点人尽皆知。在修改版论文(9月14日)最后的表格中,E1A小组以多种不同方式对具有统计显著性的数据进行了分组。

通过仔细观察美国小组与审稿人之间的意见交换,我们可以了解到理论假说、统计处理和实验论证“某种东西的存在性”之间的关系。其中存在的问题是超出的无μ介子事件数量的意义在哪里?可能的方法至少有两种,互不相同,它们引发的对论证力量的评价也并不一致。以下的实例是1973年9月14日小组草稿中的实际数据:[3]

鲁比亚和他的同事们采取的最初方法是关注于之前的物理学,该方法提出这样的问题:假设在格拉肖-温伯格-萨拉姆理论之前,弱相互作用的理论是正确的(无中性流),那么哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室小组在实验中记下尽可能多的无μ介子事件的概率是怎样的?在9月14日版“观察”的报告草稿中,他们的目标是“显示出观察到的无可见μ介子事件数量较预期的(无μ介子事件)数量是波动的可能性”。换言之,他们想要知道,在完全由广角μ介子引起的情况下,观察到的无μ介子事件与μ介子事件的比率(54/56)在计算出的比率(24/56)的统计分布范围之内的可能性有多少。若24个和56个样本的标准差是其平方根的近似值,24/56的比率误差将为:

或。观察到的比率(无μ介子事件与μ介子可见事件的比值)减去预期的比率等于(54-24)/56=0.536。效应为0.536/0.105,与预期的超过值0相比具有约5.1个标准差,这是一个强有力的结论。

从数学的角度而言,这一推导过程是正确的,但是审稿人认为它还不够保守。一位审稿人进行了详尽的阐释,他认为作者并未对测出数量的所有不确定性进行恰当的考虑。首先,计算出的无μ介子事件数量(24)是取决于观察到的μ介子事件数量,因此56的部分误差给出的计算误差为24±3.2(实际上要小于哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室假设的值)。然而,更重要的问题在于,哈佛论文中并不包括观察到的无μ介子事件数量(56)相关的不确定性。若假设这一数量也是某些(其他)分布的一部分,那么它的不确定性将表示为它的近似平方根54±7.3。理论“碰撞”与观察到的“碰撞”之间不一致的消失概率为:

或与0具有3.7个标准差。

这两个计算结果反映出了不同的物理学前提,任何一个都会让统计学家心惊。哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室存在着这样的疑问:在只有蒙特卡罗法,而无其他无μ介子事件来源时,获得至少54个无μ介子事件的频率应该是多少?《物理评论快报》的审稿人假设,超过无μ介子/μ介子的平均比值为30/54,并询问了这个值与0之间的标准差数量。通过审稿人自己的计算,他的过程“(即便在数学上是错误的)是更为保守的”。[4]但是,在20世纪五六十年代的“碰撞寻找”中,这正是传统性的方法;在气泡室的全盛时期,每一周都会有新的碰撞图像加入大规模图表,日常任务是确定“新的”碰撞是否只是邻近碰撞引起的波动。

这一争论的焦点在于证明的责任。实验者们是否应该展示出他们根据特殊值而发现的具有一定可信度的效应?还是仅仅应该展示出他们已经获得了事件样本,告诉大家这些样本不太可能成为陈旧理论中不具有统计学价值的事物?这个二选一的选择确定了恰当的统计学分析,由此确定了研究结果的说服力。

在审稿人对论文进行仔细思考之时,鲁比亚和苏拉克为在埃克斯和波恩召开的夏季会议做着准备。他们将在会上公布研究发现。1973年8月末,苏拉克将数据带到了欧洲,鲁比亚离开美国之后一直居住在这里。E1A成员们与吉姆·皮尔彻和唐纳德·里德一道来到了德国首都,参加高能电子光子相互作用主题的国际会议。他们提交论文较迟,错过了被纳入全体大会的机会,虽然还可以在较小的分组会上进行结果报告。然而,来自欧洲核子中心的杰拉尔德·迈亚特(Gerald Myatt)本已计划好要进行中性流主题的重要发言,但他还是同意宣读哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室代表在最后时刻交给他的一份简短的手写报告。[5]

迈亚特的发言结束后,鲁比亚观察到,“两个小组真正观察到的是过量的无μ介子事件。这并不一定要被解释为对中性流的形式证明。这一效应可以通过其他的新现象进行解释……证据并不充足”。这时,一位听众向迈亚特提出了质疑,他质疑迈亚特是如何使核子研究中心或加速器实验室的研究结果与广为人知的奇异性改变中性流的限制达成一致的。迈亚特回应称:“这是温伯格式理论面临的主要障碍。”[6]通过这简短的回应,这一点已经完全明确了:即便在中微子实验者获得首次发现之后,研究结果仍然没有得到强有力的理论证实。更确切地说,他们仍然相信弱中性流只有一种,或者至少奇异性改变和奇异性守恒流之间的区别还不够明显,这种信任丝毫没有被理论所削减。确实如此,他们若不接受GIM机制,就无法在理论上同时解释新旧两种结果。正如笔者在后面几章中反复强调的一样,迈亚特这样的实验家使用的是理论,而不是全系列的理论观念,后人可能会将理论观念错误地归因于这些实验家。

1973年9月6日至12日,加尔加梅勒和E1A的代表们再次聚集在埃克斯,对他们的研究结果进行探讨。缪塞再次主张,中微子和反中微子束数据间的一致性、宽能区中中性流和荷电流对象的恒定比值,以及中性流/荷电流对象的强子簇射间的普遍相似性,这些证据都证明了中性流的存在。[7]温伯格在评论中慎重地支持了他的实验家同僚们提出的结论:

在当下的情况看来,已经观察到中性流的这个结论可能还并不成熟。可能存在某些未知的背景来源,会破坏这些实验。之前的轻子模型是正确的,要做出这样的结论自然还为时过早。但是,现在已经出现了怀疑的阴影,比如sin2θ阶数为0.3的SU(2)×U(1)模型,它可能离真相并不遥远。[8]

因此,欧洲核子中心的小组(至少是哈佛-威斯康辛-宾夕法尼亚-费米实验室的哈佛小分队)在受到鼓励之后,一系列艰难实验貌似到达了终点。


注释

[1] 匿名,第一和第二部分摘自Benvenuti et al.,“Observation,”Phys.Rev.Lett.,with cover letter.Trigg to Sulak.16 October 1973.SuP.

[2] 鲁比亚在1973年马亚特在波恩会议上发言之后的评论,参见Myatt.“Neutral Currents,”Bonn(1974),405.

[3] Benvenuti et al.,second version of“Observation,”14 September 1973,SuP.Data from 300 GeV beam,vertices in scintillator segments 1-12,angular requirements imposed in one plane.

[4] Anonymous,referee reports,Phys.Rev.Lett.,with cover letter,Trigg to Sulak,16 October 1973,SuP.

[5] Myatt,“Neutral Currents,”Bonn(1974),389-406.Reeder,“Bonn Conference,”TM,4 September 1973.

[6] Myatt,“Neutral Currents,”Bonn(1974),405.

[7] Musset,“Neutrino Interactions,”Journal de Physique 34(1973):C1-23-42.

[8] Weinberg,“Gauge Theories,”Journal de Physique 34(1973):C1-47.