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“这个是电子,那个是光子......”

2015-12-30 Feynman 原理

很多天以前,我在《加速器:它们粉碎原子,不是么》最后提到了在加速器每一次粒子的对撞都被称为“事件”,那么我们该如何记录这些事件呢?




就像卢瑟福利用硫化锌测试“隐形”的α粒子的存在,并且利用这个知识来决定α粒子的路径,现代物理学家必须观察粒子的衰变产物,从中推论出粒子的存在。


为了寻找各式各样的粒子和衰变产物,物理学家已经设计了拥有多种部件构成的探测器,每个部件用以测试一个事件的不同方面。现代探测器的每一个部件都用来测量粒子的能量和动量,或者是,区别不同的粒子种类。当所有部件一起探测一个事件,我们可以从许多粒子中选出特别的粒子群来分析。


从这些事件中,计算机收集并诠释从探测器得到的大量数据,通过分析最后向物理学家展示其推论的结果。


探测器的形状


物理学家对粒子碰撞中和碰撞后的事件非常的好奇。因此,他们把探测器放在特定的地方,那里会有阵雨般的粒子事件尾随而来。根据所要分析的碰撞形式,探测器有不同的制造方式。


固定靶:固定靶产生的粒子通常往前飞,所以探测器做成圆锥状并摆在顺位。


粒子束对撞:在粒子束对撞实验中,粒子往各个方向辐射,所以探测器制作成球状,或者更普遍的做成圆柱状。


现代探测器


现代探测器包含了许多不同的小配件,分别测试同一事件中的不同方面。这许多零件的组装方式可以使物理学家得到由事件产生出的粒子的最大数据。


下面是一个典型的现代探测器的设计图:




上图包括了四个组要部件:追踪室(Tracking)、电磁热量计(E-M Calorimeter)、重子热量计(Hadron Calorimeter)和介子室(Muon Chambers)。


典型的探测器组成成分


探测器被分为不同部分的原因是,每一个部分都负责试验某一种粒子的特性。将这些零件组装后,粒子会连续通过这些装置。当粒子以我们可以测得的方式与探测器相互作用,或者是衰变成可探测的粒子,我们就可以确定它的存在。


下图显示了不同的粒子会与探测器的不同部件相互作用:




上图中的虚线表示探测器探测不到的粒子,比如中微子(Neutrino),因为中给子基本不与粒子作用。我们只能由缺少的物质或能量来探测中微子的存在。


注意事项:

  • 带电粒子,比如电子(Electron)和质子(Proton),只能在追踪室和电磁热量计中被探测到。

  • 在追踪室中,我们无法探测到中性粒子,比如中子(Neutron)和光子(Photon)。只有当他们与探测器作用时,我们才能察觉到它们的存在。借由电磁热量计可以探测光子,而中子可由其在强子热量计观测到。

  • 每一种粒子在探测器中都有其独特的行为。比如,如果物理学家只有在电磁热量计中才探测到某个粒子,那探测到的粒子一定是光子。


如何测量电荷和动量?


探测器的一个主要功能就是测量粒子的电荷和动量。基于此,在探测器的内部,尤其是追踪装置,都处于强磁场当中。由于带正负电的粒子爱磁场中的弯曲方向相反,因此由粒子的运动路径就可以轻易读出其带电性为何。


我们知道,在磁场中行进的粒子,动量小的粒子会比动量大的粒子被弯曲的程度强,从弯曲的程度我们可以计算粒子的动量。这是因为动量大的粒子在磁场中的行进时间较短或者是惯性比动量小的粒子大所以在磁场中行进时不易弯曲。


探测器的截面


为了使你更加了解粒子穿越探测器时的路径,下图是由发出碰撞粒子束的管子看下去的探测器截面图。注意可探测到各种粒子的不同位置。物理学家可根据粒子在探测器中的出现位置判定不同粒子的类型。




数据的计算机重建


在粒子对撞的事件中,探测器记录了数以百万计的点数据。因此,使用计算机来读取这些数据是必要的,利用计算机可以计算出最有可能的粒子路径及衰变,还有与预期行为相异的地方。


下图是质子与反质子对撞事件的计算机重建图,此事件产生了电子和正电子对以及许多其它粒子。这特殊事件,以及其他类似事件,证明了Z玻色子的存在,而Z玻色子是产生顶夸克的碰撞事件所需要的中介粒子。



透过类似这样的事件分析,物理学家已经找到了标准模型强有力的证据。


夸克、胶子事件


在下面的两幅图中,垂直于屏幕的电子和正电子束相遇,然后湮灭。产生的夸克和反夸克结合后产生介子和重子,图中可以清晰的看见它们的轨迹。



在左边,由一个夸克,它的反夸克,和一个胶子创始的三簇轨迹证明了胶子的存在。右边,两簇紧接的粒子是由一个夸克和它的反夸克创建的。


现在你已经知道了如何通过实验来验证标准模型的技巧。


总而言之,物理学家利用加速器“窥看”粒子的构造。探测器收集数据,然后借助计算机来分析数据,最后再由科学家将数据诠释。


至此,我们已经大概的了解了标准模型的全部,下面是这次标准模型系列的回顾:

《什么是“基本”?》

《世界是由什么构成的?》

《是什么把粒子紧紧地束缚在一起?》

《粒子的衰变与湮灭》

《从大型强子对撞机的最新实验结果,回到卢瑟福的年代》

《如何观察这个世界》

《加速器:它们粉碎原子,不是么?》


这里我并没有详细的谈及希格斯粒子的故事,2012年7月4日,欧洲粒子加速中心宣布了他们最终发现了希格斯粒子,那是个激动人心的时刻。我或许在明年会说,但也不一定。标准模型获得了巨大的成功,但是它并不完备。还有一些问题它不能解决,明年我会给大家先一些未解的问题,再引出一系列激动人心的新理论。

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