在去年《自然》杂志（日）12月号“现在欧洲核子研究中心（CERN）在做些什么”的一文中，我曾写过，在欧洲核子研究中心的PP实验中，不久也许会发现W介子。由于这次实验已探测到W介子，所以让我来介绍一下，在欧洲核子研究中心正巧遇上的值得纪念的讲演内容，并阐述这个发现的历史意义。
1月20日在欧洲核子研究中心
1983年1月20日下午4时，日内瓦市的欧洲核子研究中心的讲演厅周围，洋溢着为听4时半开始的讲演而聚集起来的研究工作者的热烈气氛。
在欧洲核子研究中心，每周都举行有关基本粒子物理学和天体物理学的重要课题的讲演，招待从各地来的学者。有时在这里也报告欧洲核子研究中心的实验结果。这时，在这个讲演厅里公布的实验结果将接受实验小组外的人们的广泛地批评和意见，然后投稿到欧洲研究工作者的杂志《物理快报》上去，这样做已成了惯例。讲演通常在4时半开始，5时半结束。讲演开始前30分钟有咖啡、红茶招待，同讲演者交谈了30分钟后，就开始听讲演者讲演。
但是，只是在这一天，正当喝咖啡的时候（4时15分光景），人们便被吸引到会场中来了。大家的脑海里，都预感到今天也许会有重要的结果发表，它将给物理学的历史增添新的一页。如果不早一点进入讲演厅，就不能直接听到这次有纪念价值的公布，也许会感到遗憾。讲演厅可容纳的人数是欧洲核子研究中心全体雇员数的2.7倍。然而实际上，在开始前的4时28分，2000人的座位已满座，通道上站满了人，走廊里也挤满了人。
如此盛况，是A. 萨拉姆、S. 温伯格和S. 格拉肖博士参加1979年12月的诺贝尔奖金受奖仪式后，为了答谢欧洲核子研究中心的实验组做实验验证他们的理论，而在这里讲演以来好久没有过的。英国的BBC广播协会，用三年时间对PP实验录了像（从实验装置的组装开始一直到运转），作为总结，当天还进行了拍摄这次值得纪念的讲演的准备。
讲演者的名单是一天之前公布的。演讲开始，实验物理部的负责人加伯瑟勒（E. Gabathuler）博士发言，他说：“本来应由所长朔佩尔（H. Schopper）博士来讲的，由于他为了欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机协会的事，到日本出差去了，所以由我来讲。这次加速器的碰撞强度增大，成功地取得了1981年12月实验强度的250倍的大量数据。这个成功是质子加速器部（PS）、反质子贮存部（AA）和超大型质子加速器部（SPS）诸位努力的结果，我表示衷心的感谢”。
接着，UA-1实验组（140名成员）的负责人鲁比亚（C. Rubbia）博士的讲演开始，他就W介子的发现作了2小时左右的报告。从质子 - 反质子的7亿次碰撞中，十分仔细地挑选了6个事例，从所有的观点出发，证明所选择的确实是W介子。毫无疑问，会场里的人们也都相信W介子确实是存在的。
在演讲结束后的答疑中，令我关心的是UA-2实验组（总共55名人员）的负责人达留拉（P. Darriulat）博士提的一个尖锐的问题：伴随着喷注大横动量的电子究竟是怎么回事？它的频度同理论值一致吗？他提出的问题要得到解答，恐尚需待以时日。
这次实验是1982年12月7日结束的。中途由于圣诞节休假，实际用了不到3个星期的分析时间。分析工作集中在是否存在W介子这一点上，全体人员坐在计算机的终端和三维阵列装置前进行分析。这个结果终于在1月9日（星期日）得到了。在数据中还有几个非常有趣的问题，它们究竟有什么意义，还有待于今后进一步分析和收集数据才能知晓。
这个载入物理学史的发现，严格地讲是在1月20日之前的8天，即1月12 日，在罗马大学召开的第三届PP国际会议上（第一届是1979年10月在巴黎召开的，第二届是1981年12月在美国威斯康星大学召开的），由UA-1组和UA-2组宣布的。当时在罗马会议上，还没有算出W介子的质量。W介子的质量是在欧洲粒子研究中心的这次讲演中发表的，人们根据这一点才确信W介子的存在。另外，在两天前的1月18日，美国的加利福尼亚大学欧文分校、密执安大学和布鲁克海文的合作组在欧洲粒子研究中心报告说：“还没有观测到质子的衰变”。
下面，叙述一下W介子发现的发表内容和它的历史意义。
汤川型还是费米型
如果你手中有五十年代的物理学旧书，那么请你打开来看一下。或许里面有关于自然界中四种力（相互作用）的内容，其中弱力用图1（a）表示，电磁力用图1（b）表示。也就是说，用4根交于一点的粒子线（表示基本粒子的轨迹）对应于弱力；电磁力则画成由称为光子的中间媒介物（点线）来相互作用的粒子线。
弱力和电磁力的相互作用的图像之间的差别（图1（a）与图1（b）的差别），专家们有两个理由为此长期感到奇怪。一个理由是，如果弱力像图1（c）那样是用中间媒介物（W介子，又称为中间玻色子）来相互作用的话，那么（b）与（c）表现为同一种形式，则可以比较优美地描写自然。也就是说，相互作用时，按照（b）和（c）这种想法，有自旋为1的玻色子存在。另一个理由是，在（a）型相互作用中，理论有无法回避的内在的发散困难。
所谓W介子的概念（最初的形式），是由汤川博士于1935年提出来的。很长一段时间里（大约有48年），在一般的物理学教科书中不记载汤川型的考虑方法，而是采用费米型的考虑方法，之所以这样，是因为在过去的实验中从来没有发现过W介子。
但是，在这次欧洲核子研究中心的实验中发现了W介子，物理学的教科书今后将像图1（c）、（d）那样书写。
过去对W介子的探索
这里介绍一下过去为了探测w介子而进行的一些先驱实验。
1960年的时候，欧洲粒子研究中心和美国纽约市郊的布鲁克海文国立实验室（BNL），利用加速器产生出来的中微子束来测定W介子。布鲁克海文国立实验室的结果，是获得中微子中有电子中微子和μ中微子两类中微子存在这个重大发现，对于W介子的存在则是否定的。而且，如果W介子存在的话，可以预计它的质量在1.8 GeV（CERN）和1.3 GeV（BNL）以上。
另一方面，大致在同一时候在印度的地下金矿里，人们利用宇宙射线与空气中的原子核碰撞产生出来的中微子来寻找W介子。这个实验由日本和印度共同进行，得到的结论是这样的，如果W介子存在，那么它的质量在3.2 GeV以上。
如图1（a）所示的费米型相互作用中，随碰撞能量的增加，碰撞截面（几率）与它的能量成比例地增加。其道理是，由于粒子（α）是直接相互作用的，它的全部能量可能转移给对方（β）。另一方面，在图1（b）的汤川型相互作用中，因为中间用粒子作为媒介（间接相互作用），入射粒子不可能把能量全部转移给对方，碰撞截面不能随能量不断地增加。
如果存在质量为10 GeV的W介子，中微子与核子（质子和中子的总称）的相互作用截面将随中微子的能量而增加，则应该有饱和情况。但是，1973年利用芝加哥郊外的费米国立实验室的加速器的束流进行实验，得到中微子的碰撞截面随入射中微子能量继续增加的结果，由此可见，如果W介子存在，它的质量在20 GeV以上。而由于当时技术上的限制，无法考虑具有比这个更高质量的W介子的探测实验。
理论的希望
就在这样不断增大中微子能量，仍没有见到W介子的悲观情况下，向物理实验室投进一丝希望的是温伯格 - 萨拉姆的理论。他们揭示了电磁力和弱力这“两个力”的统一的可能性，其结论是预言了带电的W±介子和中性的Z°介子的质量应分别为80 GeV和90 GeV。W、Z介子的质量与质子质量（0.94 GeV）相比是那么重，以前的加速器能量不够，无法用实验来产生它们是当然的。所预言的质量值，将成为考虑下一次实验时的重要指针。此外，温伯格 - 萨拉姆理论的非常重要的一点是预言有Z°介子存在，有中性的弱相互作用存在（图1（d）的存在），以及揭示了电磁力和弱力在2×10-16 cm以下的小区域里变成相等的“统一描写”。
1974年，欧洲核子研究中心的加加梅气泡室实验组，成功地拍摄到有关存在以中性Z°介子为媒介的弱力的最初证据的照片，而且以后的多次实验结果都显示了温伯格 - 萨拉姆的理论是正确的。大家认识到，为了最终证明这个理论，必须实际上测量到W±介子和Z°介子。
反质子 - 质子（PP）对撞机
早在1976年的时候，在西德阿亨工科大学召开的名叫“中微子（76）”的国际会议上，有人提出了探测W±、Z°介子的加速器的改造计划，此计划从经济效益来看是合算的。其大概内容是，在质子加速器（PS）上，把加速到24 GeV的质子轰击靶而获取（3.5±0.5）GeV的反质子，并把它贮存在反质子加速器内整整一天。这束流充分收集后（这里使用了欧洲核子研究中心的范德米尔（S. Vander Meer）博士发明的电磁脉冲冷却法），在质子加速器里把它注入到与质子相反的方向上使其回转（反质子带有与质子相反的电荷），加速到24 GeV以后，以相反方向注入到超级质子加速器（SPS，直径2.2公里）中。反质子和正方向注入的质子一起在SPS环中分别加速到270 GeV，如果能使它们在两处（一处是UA-1实验装置，另一处是UA-2实验装置）的交点对撞，就可形成产生540 GeV的粒子所必需的能量。然而利用这种能量，可以设想产生出迄今在粒子加速器中还不能制造出来的约80 GeV和90 GeV的重W、Z介子。
从1978年1月起，实验准备开始了。自1981年7月7日观测到最初对撞的1025/cm2秒的对撞强度以来，到1981年12月达到了1027/cm2秒，而在1982年12月3日达到了5×1028/cm2秒，与最初的强度相比增大了5000倍，达到了能够产生W介子的强度。但是要产生质量更大的Z°介子，碰撞次数还不够。也许把UA-1坦和UA-2组联合起来，效果可能会好一些。理论预言，对于7亿次碰撞，在UA-1和UA-2的交叉点上一定可以同时观测到W±介子衰变成电子和中微子的事例5.4个，以及Z°介子的电子 - 正电子对的衰变0.6例。
探测到了W介子
W介子由以上的衰变，产生几个粒子对。其中因为以8%的分支比衰变为电子和中微子或μ子和中微子，所以要探测到W介子，有人认为观测电子或μ子是可行的（探测方法请参阅本杂志1982年12月号）。
因此，W介子的探测，如果观测具有大横动量的电子和中微子便可以了。中微子和物质几乎没有相互作用，但通过观测动量的不平衡就能验证其存在。也就是说，W介子的质量为80 GeV，由二体衰变，在两个相反方向上产生40 GeV的电子和40 GeV的中微子。中微子本身是不能观测到的，只可以观测到40 GeV的“能量损失”。如果高精度地测定这个中微子原有的能量和电子的能量组合成的不变质量，就可求出W介子的质量。在实际的实验中，因为有许多被误认为是电子的类似物，所以区分它是一件重要的工作。正如在河滩上探寻砂金一样。理论预言，在1亿个砂粒中只存在一个砂金。那些众多的电子类似物，实际上是荷电π介子转化成中性π介子的东西，而它被误认为电子了。但幸运的是，UA-1组和UA-2组的实验装置可将类似物控制在W介子信号的1/100以下。其次，众多的电子类似物，在荷电π介子附近，伴随中性π介子，产生大的电子簇射。这种影响在信号挑选中也不会产生障碍。因为，根据三维旋转的显示装置，从各种角度观察事例，可以去除荷电π介子或中性π介子产生电子簇射这类的事例，可以单单获取电子产生的电子簇射。
最终，在UA-1组有40起候补事例留了下来，其中23例伴有2个喷注和电子，还有11例中，电子和与它反方向产生出来的喷注处于能量几乎相等的平衡状态。这34例没有表现出W介子衰变的固有的“能量损失”（亏损）（喷注产生的粒子的角度分布像喷气式飞机的喷气，故有此名）。在余下的6例中，伴随着W介子的衰变，有中微子带走的“能量损失”。其中5例，是中微子同电子方向完全成180°放出的事例，还有一例被认为是向τ子和中微子的衰变。
UA-2组也根据独立的实验，从15起的W介子的候补事例中发现了被认为是W介子的3个事例。图2是其中的一例，在与电子形成的簇射的相反方向上，没有观测到高能粒子明显表示出中微子被放出来。请比较图3，其中两个喷注是上下对称的。
UA-1组，在5个事例中求出W介子的质量为（81±5）GeV，与理论预言值（82.1±2.4）GeV符合很好。伴有大动量不平衡的电子，被认为是W介子的衰变物。
另外在实验数据中，还存在一些有兴趣的现象，详情有待今后分析。
在罗马会议的时候，范德米尔声称 · ，在今年4月底到7月的实验中，要使束流的对撞强度增大7倍。这样一来，可以新探测到30 ~ 40个W介子，从而可确定W介子的存在。还有UA-1组和UA-2组的实验，可以探测到4个左右的Z°介子。由此将迎来力的统一理论的新阶段，而且还可能发现迄今尚未发现的新现象。