撰文
吴进远（美国费米国度加快器尝试室）
责编
陈晓雪
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题献
谨将此文件给我的母校人大附中
头几天，人大附中的3位师长和8位弟子到他们的姊妹黉舍IllinoisMathematicsandSciencesAcademy(IMSA)拜候。人大附中是我的母校，而IMSA是我所任事的费米尝试住所二任长处、诺贝尔奖赢得者LeonLederman主张开办的。人大附中师生拜候的一项实质是参观费米尝试室，我介入了应接。互换中得悉，不少师生是《学识分子》的激情读者。同砚们问我，母校给我留住的深入回忆是甚么。经由这么多年，我还记得师长谈及昔日劳模们在母校念书的故事，这些故事留给我的参悟即是要着重接洽理论，在科学上，即是要着重尝试。这篇文章，即是谈怎样做尝试的（做家对于高能物理尝试的上篇文章《刻舟求剑觅毛皮——会谈高能物理尝试》）。
01
宏观寰宇的礼花
《红楼梦》里，凤姐讲了一个笑话：“再说一个过一月半的。几私人抬着个屋子大的炮仗往城外放去，引了上万的人随着瞧去。有一特性急的人等不得，便偷着拿香点着了。只听‘噗哧’一声，大众哄然一笑都散了。这抬炮仗的人埋怨卖炮仗的扎得不壮实，没等放就散了。湘云道：“莫非他自己没闻声响？”凤姐儿道：“此人原本是聋子。”大众据说，一回首，不觉一同失声都大笑起来。
凤姐的笑话对咱们做科学尝试有许多启示。对于咱们想视察的物理景象而言，咱们是又聋又瞎，或许还不如那抬炮仗的人。不过咱们经由此外接洽的景象，例如感知到炮仗或看吵闹的人呼啦啦地散去，却能够直接地明白片刻视察不到的景象。
在高能物理尝试中，咱们让质子或电子对撞，生成了新的粒子，但咱们怎样能明白它们果然存在呢？还记得节日的黄昏咱们看烟花扮演吗？黑漆黑，烟花弹从大地打到天空，咱们时常看不见烟花弹自身，更没法判定烟花弹的品种、分量，是不是受潮。这统统疑义，比及烟花弹在地面爆炸，就变得一览无遗了。
高能物理尝试中生成的新的粒子绝大普遍很快就会产生衰变，这一景象帮了咱们的大忙。新粒子产生衰变时，最少孕育两个粒子，朝方圆飞开来，打到方圆的探测器。倘使衰变的产品是安定的，它们会飞很远。这些衰变产品也或许不安定，或许连续衰变，不过在它们衰变前，就或许飞过几米以至十几米的间隔，打过许多层探测器。
要真实地望见这些衰变产品，一定经由一系列的物理效应，让它们最后变为人能够望见的讯息。已往，人们让粒子飞过云雾室或气泡室，带电粒子会留住看得见的径迹，而后裔们用照像机将这些径迹照下来。这类尝试用的都是35毫米拍片子用的大盘菲林，笔者办公室墙上还贴了一小段做为思念。此刻，整个探测器根基上都是将粒子飞过的讯息转折为电记号，收集共存入筹划机，再对它们举办解析。
02
高能物理探测器的组织
人类遏制的手艺日新月异，但是果然规律倒是安定的，最少在人类存在云云的功夫法式里是安定的。于是此刻的高能物理探测器，和二三十年前的探测器，从大的组织上看，长得根基上差未几。
图1：CMS构造。图：CERNGeneva
就说对撞机里的探测器吧，图1是CMS（CompactMuonSolenoid，紧凑型缪子螺线管探测器）的组织图，仿佛有点素昧平生吧？对撞机的探测器根基都是轴对称的，两束粒子顺着对称轴飞过，在探测器的核心对撞。各个子探测器大多是围困着对撞点，一圈一圈地孕育由小到大的桶形。它们时常是由一路一路的探测器模块拼接起来，看上去很像已往木桶上的木板（没有短板的那种）。
高能物理史籍上有些尝试的探测器惟独桶部。这类惟独桶部的探测器有个不很正式的称呼，叫2π谱仪，由于它的探测器单位遮盖了全面度的圆周角。
人们费那末鼎力量制造探测器总不想遗漏甚么，粒子束对撞后，有些产品有或许顺着与束流成很小角度的方位飞出。于是此刻险些整个对撞机的探测器都有两个端盖，端关上的探测器模块安顿成几许层圆板型，全面探测器合起来往后就像层层套叠的木桶，每个都盖了个圆盖。这类探测器遮盖了全面4π平面角（不是平面角），于是叫4π谱仪，时常简称为“谱仪”。
谱这个字很紧要，粒子在谱仪中飞过，不但要望见打过的踪迹，更要靠谱地丈量出粒子的性质，例如动量。是以，最内层凑近对撞点的探测器，普遍是粒子径迹探测器，例如气体漂移室，只怕硅探测器。径迹探测器需求处在磁场当中，云云带电粒子飞出来的光阴，就会遭到洛伦兹力的效用拐弯，拐弯的半径与粒子的横向动量成正比。因而，一个带电粒子飞出来，会在方圆每一层探测器上打一个点，这些点孕育一条弧线，详细来讲，在平匀的轴向磁场当中，这条弧线是螺旋线。凭借弧线的若干参数，咱们能够算出带电粒子动量的巨细和方位。图2显示几种粒子飞出CMS探测器时在各个子探测器上留住的记号。咱们能够看到，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住的记号。图：CMSGeneral
不带电的粒子不拐弯，也不会在径迹探测器上留住踪迹，只可在量能器上看到。纵使对一个带电粒子，咱们除了要测出动量，还要测出能量才干算出它的停止品质，从而确认它是甚么粒子。丈量能量，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），量能器老是策动在径迹探测器除外的。
在谱仪中的磁场，时常是用一个很大的螺线管磁铁来孕育的。对撞机的能量越高，所探索的衰变产品的动量就越大，需求的磁场就越强。是以理论上，许多尝试顶用的都是超导磁铁。
绝大部份粒子都邑被量能器盖住，但再有一些穿透力对照强的粒子会飞到量能器之外，例如缪子。于是在谱仪的最外层时常都装了缪子探测器。正常来讲，但凡能从对撞点飞到最外层的带电粒子，非缪子莫属。
您只怕会问，衰变产品里不是再有中微子吗，谱仪的最外边为甚么不再放此中微子探测器呢？
中微子与物资的互相效用特别微漠，纵使放一个地球那末大品质的探测器，中微子也有很大的几率悄无声气地飞已往。于是，在对撞机尝试的每个详细事例里，是不是存在一此中微子只可靠判断，靠测赢得的动量与能量中缺失的部份来料想。
高能物理中的确有直接探测中微子的尝试，例如大亚湾的中微子尝试。它探测的是在极大的中微子束流的处境下中微子与物资之间的效用，这类变乱产生的几率特别低，但沉稳地测上几个月到几年，也能赢得不少终归。
总之，咱们此刻接洽宏观寰宇的学识，大部份都是在探测器里实实到处地测出来的。探测器即是咱们眼睛，它使咱们能欣赏来自宏观寰宇的礼花，从而判断出这些礼花的其余特性，以及它们面前的物理意义。
图3：一个或许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？
（阐述一下，在径迹探测器中，咱们理论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同画出来的。）像云云的事例，是从数以亿计的事例中找到的，从这些事例中还要经由严酷的挑选，着末裔们才干坚信发掘了一种新粒子。
延长浏览：
几种粒子探测器
01
气体探测器
气体探测器在高能物理尝试中有普及的运用，许多尝试里用气体探测器做为径迹探测器。这类探测器有许多典型，但有两点是共通的：它们内部都装了高压电极，都通了氩和乙烷（也有氩和二氧化碳）的搀和气体。
这边讲解两种模范的气体探测器：多丝漂移室和稻草管漂移室。
多丝漂移室里有许多金属丝，并排拉紧像钢琴或竖琴的琴弦。科研人员在制做多丝漂移室时，需求严峻的品质遏制，包含探测金属丝的张力。探测的法子即是让金属丝振荡，丈量它的振荡频次。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毗邻，有些金属丝则与正极相接。
稻草管漂移室是许多薄壁细管孕育的，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。每根细管的核心拉了一根细金属丝。运转时，金属丝通正高压，管子内壁的金属箔接高压电源负极（时常是地电平）。
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效用下，气体电离后的电子就会向正电极的方位漂移。这有点像喷气式飞机在高空飞过偶尔会留住一路航迹，这个航迹会被风吹着全体朝某个方位挪移。
您或许会设想这些电子在电场的加快下会越来越快，而理论上电子漂移的速率根基是恒定的。由于电子疏通时会平和体的分子碰撞，就像在人群繁茂的庙会里巡警叔叔追扒手相同，谁都跑不了太快。
这些电子漂移到正极金属丝左近时，电场强度对照大，电子碰撞到气体分子后会使此中一些电离，电离生成的电子又会孕育新的气体分子电离。不过，纵使经由云云一个气体的夸大流程，最后被正极金属丝接管到的电子所孕育的脉冲记号照样对照弱，需求经由几级电子电路的夸大后才干数字化。
高能物理尝试里采取的数字化包含两大类，一类是模仿记号到数字量的更改，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter），另一类是功夫到数字量的更改，简称TDC（Time-to-Digital-Converter）。
电子在气体里是会依据一个根基恒定的速率漂移，于是记号的来到功夫响应的是粒子径迹穿过探测器的功夫加之漂移的功夫。倘使像图4所示，粒子径迹同时穿过量个稻草管，咱们同时测定多个脉冲记号的功夫，那末咱们不光能够断定粒子径迹的穿落伍间，还能够算出粒子径迹穿过的场所。这是用TDC所赢得的讯息。
用ADC测到的是记号的强度。不同的粒子穿过物资时，在单位间隔里留住的能量是不同的，因而它们的临盆的电脉冲记号的强度以及脉冲的总电荷量也不同，经由ADC收集的数据能够扶助咱们断定穿过探测器的粒子品种。
气体探测器再有一些此外构造和策动。有的或许让电子漂移快要一米的间隔，从而赢得粒子径迹的三维若干形态。这类探测器叫功夫投影室（TPC，TimeProjectionChamber）。而另一些则不让电离的电子漂移得很远，以提升探测器在对照高的击中率处境下的功能。
漂移室里哄骗的介质除了气体，以至还能够用液态氩或此外液态惰性元素。这类探测器经常用在探测中微子的尝试。
02
光电倍增管
光电倍增管是一种探测快速光记号的器件。它有一个接管光子的金属电极，光子打上去往后，会打出一个或几个电子。这么少的电子电量太少，倘哄骗来孕育脉冲记号切实是太弱了。怎样办呢？光电倍增管里有许多电极，接了高压电，电子在高压电场的效用下，甲第甲第地撞击这些电极。每个电子每撞到一个电极，就会把此中的电子打出几个，云云经由10到14级倍增，记号就可以够被夸大几万到几百万倍。（算算看，倘使每甲第每个电子打出5个次生电子，经由10级夸大，总的夸大倍数是几许？也即是说=？）
光电倍增管能够探测到光子，但在理论的尝试里，却很少用来直接看衰变自身孕育的光子。大普遍尝试里，光电倍增管都是用来探测带电粒子直接孕育的光子。带电粒子能够经由各式闪灼体，塑料的、晶体的等等来孕育光子。其余还能够经由切伦科夫辐射效应来孕育光子。
图5：塑料闪灼体及其探测器
塑料闪灼体时常经由光导部件与光电倍增管毗邻。光电倍增管对照贵，于是许多尝试中的探测器做出船桨形态，以便用尽或许少的通道数遮盖更大的探测面积。图5是塑料闪灼体和组装好的探测器的相片。做探测器时，要把闪灼体用黑纸包好，保证光电倍增管看到的惟独闪灼体发出的光，而没有从方圆处境中漏出来的光。
晶体闪灼体多用于量能器，用来测定高能粒子的总能量。这类晶体除了具备闪灼性质，普遍含有高原子量的成份，是以密度对照大。例如罕用的碘化铯，密度来到4.5，尽管没有铁块或铅板大，但绝相比板砖耐火砖显得沉。惟独密度够大，单位体积里头质子和中子个数才会多。云云带电粒子打进入才不会一下子穿梭已往，而是把能量尽或许地用来生成更多的带电粒子，由现世成和粒子能量成比例的光子，最后，在光电倍增管的输出端上能够看到一个电脉冲记号，其总电量与粒子的能量接洽。
图6：高速汽艇在水面上孕育的激浪
切伦科夫辐射有点像声学里的激波，例如超音速飞机飞落伍孕育的像打雷相同的声响，只怕像高速汽艇在水面上孕育的激浪，如图6所示。高速带电粒子的速率高出介质中的光速时，就会孕育对照强的光波，这类光波叫切伦科夫辐射。
您不要在哪里低声密谈，物资的疏通速率的确不会高出真地面的光速，但我说的是粒子速率高出介质中的光速。例如在水里，光速惟独真地面光速的75%左右，许多带电粒子，不需求很高的能量，就可以够高出水中的光速，孕育切伦科夫辐射。
粒子的品质不同，是以在动量类似的处境下，速率会微小有点不同。咱们能够用切伦科夫辐射来分辩飞过的带电粒子究竟是哪类。这类切伦科夫计数器里装了光电倍增管，充了气体，经由调动气压转变气体的折射率，也即是光在气体中的光速。把光速调到两种粒子的速率之间，就可以把它们分辩出来了。
03
硅探测器
近些年策动制造的高能物理尝试许多都采取硅探测器做为径迹探测器。带电粒子穿过硅片，也会孕育电离，孕育能够探测到的电流。硅探测器时常是在硅片上做出许多宽度为0.1mm左右的细条，偶尔以至是二维的像素，用来详细地丈量带电粒子穿过硅片的场所。理论上讲，整个的硅探测器最佳都能做成像素式的，由于云云能够把粒子径迹上的一个点的整个三个坐标都测出来。但理论上，像素探测器的读出与编码电路比细条探测器的电路要繁杂许多，价值与功率损耗都要大。于是在理论的尝试中，惟独凑近对撞点的地区会用像素探测器，远一些的地点多用细条探测器。硅探测器长得是云云的，见图7。
图7：硅探测器
图里咱们望见一大块一大块的黑色长方形是硅片。咱们还能看到许多集成电路片，是把数据读出并传递到筹划机用的。全面探测器像个圆筒，从筒底开出的安设槽，你能够设想全面探测器装满后是甚么状态。
前方提过，对撞点左近经常要用硅像素探测器，这是为甚么呢？原本当束流中两个粒子对撞后，会孕育许多产品，它们飞出来后，咱们能够用硅像素探测器纪录下它们的径迹，这些径迹能够反推出一个共通的登程点，时常称为初始顶点。对撞临盆的新产品中，有许多或许衰变为带有b夸克的粒子，这类带有b夸克的粒子寿命不长也不短，能够从初始顶点飞出几毫米再衰变。它的衰变产品的径迹能够指向另一个顶点，也即是二次顶点。哄骗硅像素探测器能够让咱们详细地丈量出初始顶点和二次顶点的场所，从而明白b夸克以及它的上线物资的性质。
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