吴进远：如何看到微观世界的“礼花”？
撰文 | 吴进远（美国费米国家加速器实验室）
责编 | 陈晓雪
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题献
谨将此文献给我的母校人大附中
前几天，人大附中的3位老师和8位学生到他们的姊妹学校Illinois Mathematics and Sciences Academy (IMSA)访问。人大附中是我的母校，而IMSA是我所供职的费米实验室第二任所长、诺贝尔奖获得者Leon Lederman倡导创办的。人大附中师生访问的一项内容是参观费米实验室，我参与了接待。交流中得知，不少师生是《知识分子》的热情读者。同学们问我，母校给我留下的深刻印象是什么。经过这么多年，我还记得老师谈及当年劳模们在母校读书的故事，这些故事留给我的参悟就是要注重联系实际，在科学上，就是要注重实验。这篇文章，就是谈怎样做实验的（作者关于高能物理实验的上篇文章《守株待兔觅毛皮——漫谈高能物理实验》）。
01
微观世界的礼花
《红楼梦》里，凤姐讲了一个笑话：“再说一个过正月半的。几个人抬着个房子大的炮仗往城外放去，引了上万的人跟着瞧去。有一个性急的人等不得，便偷着拿香点着了。只听‘噗哧’一声，众人哄然一笑都散了。这抬炮仗的人抱怨卖炮仗的扎得不结实，没等放就散了。湘云道：“难道他本人没听见响？”凤姐儿道：“这人原本是聋子。”众人听说，一回想，不觉一齐失声都大笑起来。
凤姐的笑话对我们做科学实验有很多启发。对于我们想观测的物理现象而言，我们是又聋又瞎，可能还不如那抬炮仗的人。但是我们通过其它相关的现象，比如感知到炮仗或看热闹的人呼啦啦地散去，却可以间接地了解暂时观测不到的现象。
在高能物理实验中，我们让质子或电子对撞，生成了新的粒子，但我们怎么能知道它们真的存在呢？还记得节日的晚上我们看烟花表演吗？黑暗中，烟花弹从地面打到天空，我们通常看不见烟花弹本身，更无法判断烟花弹的种类、重量，是不是受潮。这一切疑问，等到烟花弹在空中爆炸，就变得一目了然了。
高能物理实验中生成的新的粒子绝大多数很快就会发生衰变，这一现象帮了我们的大忙。新粒子发生衰变时，至少产生两个粒子，朝周围飞开来，打到周围的探测器。如果衰变的产物是稳定的，它们会飞很远。这些衰变产物也可能不稳定，可能继续衰变，不过在它们衰变前，就可能飞过几米乃至十几米的距离，打过很多层探测器。
要真正地看见这些衰变产物，必须通过一系列的物理效应，让它们最终变成人可以看见的信息。过去，人们让粒子飞过云雾室或气泡室，带电粒子会留下看得见的径迹，然后人们用照相机将这些径迹照下来。这种实验用的都是35毫米拍电影用的大盘胶卷，笔者办公室墙上还贴了一小段作为纪念。现在，所有探测器基本上都是将粒子飞过的信息转化为电信号，采集并存入计算机，再对它们进行分析。
02
高能物理探测器的结构
人类掌握的技术突飞猛进，可是自然规律却是不变的，至少在人类存在这样的时间尺度里是不变的。所以现在的高能物理探测器，和二三十年前的探测器，从大的结构上看，长得基本上差不多。
图1：CMS构造。图：CERN Geneva
就说对撞机里的探测器吧，图1是CMS（Compact Muon Solenoid，紧凑型缪子螺线管探测器）的结构图，好像有点似曾相识吧？对撞机的探测器基本都是轴对称的，两束粒子沿着对称轴飞过，在探测器的中心对撞。各个子探测器大多是包围着对撞点，一圈一圈地构成由小到大的桶形。它们通常是由一块一块的探测器模块拼接起来，看上去很像过去木桶上的木板（没有短板的那种）。
高能物理历史上有些实验的探测器只有桶部。这类只有桶部的探测器有个不很正式的名称，叫2π谱仪，因为它的探测器单元覆盖了整个360度的圆周角。
人们费那么大力气建造探测器总不想漏掉什么，粒子束对撞后，有些产物有可能沿着与束流成很小角度的方向飞出。所以现在几乎所有对撞机的探测器都有两个端盖，端盖上的探测器模块布置成若干层圆板型，整个探测器合起来以后就像层层套叠的木桶，每个都盖了个圆盖。这种探测器覆盖了整个4π立体角（不是平面角），所以叫4π谱仪，通常简称为“谱仪”。
谱这个字很重要，粒子在谱仪中飞过，不仅要看见打过的痕迹，更要靠谱地测量出粒子的性质，比如动量。因此，最内层靠近对撞点的探测器，多半是粒子径迹探测器，比如气体漂移室，或者硅探测器。径迹探测器需要处在磁场之中，这样带电粒子飞出来的时候，就会受到洛伦兹力的作用拐弯，拐弯的半径与粒子的横向动量成正比。于是，一个带电粒子飞出来，会在周围每一层探测器上打一个点，这些点构成一条曲线，具体来说，在均匀的轴向磁场之中，这条曲线是螺旋线。根据曲线的几何参数，我们可以算出带电粒子动量的大小和方向。图2显示几种粒子飞出CMS探测器时在各个子探测器上留下的信号。我们可以看到，带电粒子是拐弯的。
图2：不同粒子飞出CMS探测器时在各个子探测器上留下的信号。图：CMS General
不带电的粒子不拐弯，也不会在径迹探测器上留下痕迹，只能在量能器上看到。即使对一个带电粒子，我们除了要测出动量，还要测出能量才能算出它的静止质量，从而确认它是什么粒子。测量能量，要用到量能器，而量能器又分为电磁量能器（ECAL）和重子量能器（HCAL），量能器总是设计在径迹探测器之外的。
在谱仪中的磁场，通常是用一个很大的螺线管磁铁来产生的。对撞机的能量越高，所研究的衰变产物的动量就越大，需要的磁场就越强。因此实际上，很多实验中用的都是超导磁铁。
绝大部分粒子都会被量能器挡住，但还有一些穿透力比较强的粒子会飞到量能器以外，比如缪子。所以在谱仪的最外层通常都装了缪子探测器。一般来说，凡是能从对撞点飞到最外层的带电粒子，非缪子莫属。
您也许会问，衰变产物里不是还有中微子吗，谱仪的最外边为什么不再放个中微子探测器呢？
中微子与物质的相互作用非常微弱，即使放一个地球那么大质量的探测器，中微子也有很大的概率悄无声息地飞过去。所以，在对撞机实验的每个具体事例里，是否存在一个中微子只能靠推断，靠测得到的动量与能量中缺失的部分来推测。
高能物理中确实有直接探测中微子的实验，比如大亚湾的中微子实验。它探测的是在极大的中微子束流的情况下中微子与物质之间的作用，这种事件发生的概率非常低，但耐心地测上几个月到几年，也能得到不少结果。
总之，我们现在有关微观世界的知识，大部分都是在探测器里实实在在地测出来的。探测器就是我们眼睛，它使我们能观赏来自微观世界的礼花，进而推断出这些礼花的其他特征，以及它们背后的物理意义。
图3：一个可能的希格斯波色子的事例。图：CMS
图3是一个疑似希格斯波色子的事例。这东东是不是看着有点像礼花？
（说明一下，在径迹探测器中，我们实际测到的数据是一些点点，图里显示的径迹是把这些点点连在一起画出来的。）像这样的事例，是从数以亿计的事例中找到的，从这些事例中还要经过严苛的筛选，最后人们才能确信发现了一种新粒子。
延伸阅读：
几种粒子探测器
01
气体探测器
气体探测器在高能物理实验中有广泛的应用，很多实验里用气体探测器作为径迹探测器。这种探测器有很多类型，但有两点是共同的：它们里面都装了高压电极，都通了氩和乙烷（也有氩和二氧化碳）的混合气体。
这里介绍两种典型的气体探测器：多丝漂移室和稻草管漂移室。
多丝漂移室里有很多金属丝，并排拉紧像钢琴或竖琴的琴弦。科研人员在制作多丝漂移室时，需要严格的质量控制，包括检测金属丝的张力。检测的方法就是让金属丝振动，测量它的振动频率。这是不是有点像给钢琴或竖琴调音？多丝漂移室中有一些金属丝与高压电源的负极连接，有些金属丝则与正极相连。
稻草管漂移室是很多薄壁细管构成的，不过这些细管并不是稻草，它们是用薄塑料片卷制的，内壁复合了铝箔或铜箔。每根细管的中心拉了一根细金属丝。运行时，金属丝通正高压，管子内壁的金属箔接高压电源负极（通常是地电平）。
图4：稻草管漂移室
如图4所示，当带电粒子飞过探测器里的气体，就会把飞过的径迹上的气体电离。在探测器中的高压电场作用下，气体电离后的电子就会向正电极的方向漂移。这有点像喷气式飞机在高空飞过有时会留下一道航迹，这个航迹会被风吹着整体朝某个方向移动。
您可能会想象这些电子在电场的加速下会越来越快，而实际上电子漂移的速度基本是恒定的。因为电子运动时会和气体的分子碰撞，就像在人群密集的庙会里警察叔叔追小偷一样，谁都跑不了太快。
这些电子漂移到正极金属丝附近时，电场强度比较大，电子碰撞到气体分子后会使其中一些电离，电离生成的电子又会造成新的气体分子电离。不过，即使经过这样一个气体的放大过程，最终被正极金属丝接收到的电子所形成的脉冲信号还是比较弱，需要经过几级电子电路的放大后才能数字化。
高能物理实验里采用的数字化包括两大类，一类是模拟信号到数字量的转换，简称ADC（Analog to Digital Converter），另一类是时间到数字量的转换，简称TDC（Time-to-Digital-Converter）。
电子在气体里是会按照一个基本恒定的速度漂移，所以信号的到达时间反映的是粒子径迹穿过探测器的时间加上漂移的时间。如果像图4所示，粒子径迹同时穿过多个稻草管，我们同时测定多个脉冲信号的时间，那么我们不但可以确定粒子径迹的穿过时间，还可以算出粒子径迹穿过的位置。这是用TDC所获得的信息。
用ADC测到的是信号的强度。不同的粒子穿过物质时，在单位距离里留下的能量是不同的，于是它们的生产的电脉冲信号的强度以及脉冲的总电荷量也不同，通过ADC采集的数据可以帮助我们确定穿过探测器的粒子种类。
气体探测器还有一些别的构造和设计。有的可能让电子漂移将近一米的距离，从而获得粒子径迹的三维几何形状。这种探测器叫时间投影室（TPC，Time Projection Chamber）。而另一些则不让电离的电子漂移得很远，以提高探测器在比较高的击中率情况下的性能。
漂移室里使用的介质除了气体，甚至还可以用液态氩或其它液态惰性元素。这类探测器往往用在探测中微子的实验。
02
光电倍增管
光电倍增管是一种探测快速光信号的器件。它有一个接收光子的金属电极，光子打上去以后，会打出一个或几个电子。这么少的电子电量太少，如果用来形成脉冲信号实在是太弱了。怎么办呢？光电倍增管里有很多电极，接了高压电，电子在高压电场的作用下，一级一级地撞击这些电极。每个电子每撞到一个电极，就会把其中的电子打出几个，这样经过10到14级倍增，信号就可以被放大几万到几百万倍。（算算看，如果每一级每个电子打出5个次生电子，经过10级放大，总的放大倍数是多少？也就是说510=？）
光电倍增管可以探测到光子，但在实际的实验里，却很少用来直接看衰变本身产生的光子。大多数实验里，光电倍增管都是用来探测带电粒子间接产生的光子。带电粒子可以通过各种闪烁体，塑料的、晶体的等等来产生光子。此外还可以通过切伦科夫辐射效应来产生光子。
图5：塑料闪烁体及其探测器
塑料闪烁体通常通过光导部件与光电倍增管连接。光电倍增管比较贵，所以很多实验中的探测器做出船桨形状，以便用尽可能少的通道数覆盖更大的探测面积。图5是塑料闪烁体和组装好的探测器的照片。做探测器时，要把闪烁体用黑纸包好，确保光电倍增管看到的只有闪烁体发出的光，而没有从周围环境中漏进去的光。
晶体闪烁体多用于量能器，用来测定高能粒子的总能量。这类晶体除了具有闪烁性质，多半含有高原子量的成分，因此密度比较大。比如常用的碘化铯，密度达到4.5，虽然没有铁块或铅板大，但绝对比板砖耐火砖显得沉。只有密度够大，单位体积里头质子和中子个数才会多。这样带电粒子打进来才不会一下子穿越过去，而是把能量尽可能地用来生成更多的带电粒子，由此生成和粒子能量成比例的光子，最终，在光电倍增管的输出端上可以看到一个电脉冲信号，其总电量与粒子的能量相关。
图6：高速汽艇在水面上形成的激浪
切伦科夫辐射有点像声学里的激波，比如超音速飞机飞过时产生的像打雷一样的声音，或者像高速汽艇在水面上形成的激浪，如图6所示。高速带电粒子的速度超过介质中的光速时，就会产生比较强的光波，这种光波叫切伦科夫辐射。
您不要在那里窃窃私语，物质的运动速度的确不会超过真空中的光速，但我说的是粒子速度超过介质中的光速。比如在水里，光速只有真空中光速的75%左右，很多带电粒子，不需要很高的能量，就可以超过水中的光速，产生切伦科夫辐射。
粒子的质量不同，因此在动量相同的情况下，速度会稍微有点不同。我们可以用切伦科夫辐射来分辨飞过的带电粒子到底是哪种。这种切伦科夫计数器里装了光电倍增管，充了气体，通过调节气压改变气体的折射率，也就是光在气体中的光速。把光速调到两种粒子的速度之间，就能把它们分辨出来了。
03
硅探测器
近些年设计建造的高能物理实验很多都采用硅探测器作为径迹探测器。带电粒子穿过硅片，也会造成电离，产生可以探测到的电流。硅探测器通常是在硅片上做出很多宽度为0.1mm左右的细条，有时甚至是二维的像素，用来精确地测量带电粒子穿过硅片的位置。理论上讲，所有的硅探测器最好都能做成像素式的，因为这样可以把粒子径迹上的一个点的所有三个坐标都测出来。但实际上，像素探测器的读出与编码电路比细条探测器的电路要复杂得多，价格与功率消耗都要大。所以在实际的实验中，只有靠近对撞点的区域会用像素探测器，远一些的地方多用细条探测器。硅探测器长得是这样的，见图7。
图7：硅探测器
图里我们看见一大块一大块的黑色长方形是硅片。我们还能看到很多集成电路片，是把数据读出并传送到计算机用的。整个探测器像个圆筒，从筒底开出的安装槽，你可以想象整个探测器装满后是什么样子。
前面提过，对撞点附近往往要用硅像素探测器，这是为什么呢？原来当束流中两个粒子对撞后，会形成很多产物，它们飞出来后，我们可以用硅像素探测器记录下它们的径迹，这些径迹可以反推出一个共同的出发点，通常称为初始顶点。对撞生产的新产物中，有很多可能衰变成带有b夸克的粒子，这种带有b夸克的粒子寿命不长也不短，可以从初始顶点飞出几毫米再衰变。它的衰变产物的径迹可以指向另一个顶点，也就是二次顶点。使用硅像素探测器可以让我们精确地测量出初始顶点和二次顶点的位置，从而了解b夸克以及它的上线物质的性质。
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