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Sandbox Physics

高能物理 · 碰撞事例显示

Particle Collider · 事件重建室

看不见的碰撞,怎样从探测器留下的信号里重建出来? 把各层探测器的信息拼起来。径迹在磁场里弯多少,给出电荷和横动量;量能器测能量和喷注方向;缪子室认出穿透了里面各层的粒子。横动量加起来要是不平衡,就说明有粒子没被探测到就溜走了,比如中微子。

在三维探测器里查看碰撞径迹,再从同一批冻结双缪子候选中画出质量谱。改变筛选条件、比较异号与同号候选,点击谱中的位置就能检查对应事例。

交互模型Particle Collider · 事件重建室
事例拓扑异号双缪子
已重建径迹0 / 0
可见能量 EvisE_{\mathrm{vis}}0 GeV0\,\mathrm{GeV}
缺失动量 pTmissp_T^{\mathrm{miss}}0 GeV/c0\,\mathrm{GeV}/c

从同一批事例里找出质量峰

点击质量谱,探测器就显示相应的冻结粒子对。改动筛选,只会挑选同一批模拟记录。

异号候选同号对照

模拟样本会自动载入。

· 91.2 GeV/c291.2\,\mathrm{GeV}/c^2

筛选与模型

生成器把固定质量的双缪子教学共振与平滑连续谱混在一起。“模糊的峰”改变动量响应。模型省略自然宽度、辐射与完整探测器输运;同号候选用作对照,尚未归一化为本底估计。

M2c4=(E1+E2)2−c2∣p1+p2∣2M^2c^4=(E_1+E_2)^2-c^2\lvert\boldsymbol p_1+\boldsymbol p_2\rvert^2

CERN 开放数据:双轻子分析

物理教程

把两条径迹合成一个质量

背景短寿命粒子往往在进入探测器前就衰变了。探测器记录飞出来的粒子,再用它们的能量和动量寻找共同的来源。

为什么值得理解单个事例可能很普通。把许多粒子对算出的质量排在一起,某个位置却可能积出一个峰,提示它们来自同一种母粒子。

先抓重点

核心问题
怎样从两条缪子径迹,算出它们共同来源的质量?
一句话直觉
把两条径迹的能量相加、动量按方向相加,再求不变质量。同一种母粒子的候选会在质量谱上聚到一起。

核心数学模型

两个粒子的总能量与总动量

M2c4=(E1+E2)2−c2∣p1+p2∣2M^2c^4=(E_1+E_2)^2-c^2\lvert\boldsymbol p_1+\boldsymbol p_2\rvert^2

这里 MM 是粒子对的不变质量,E1,E2E_1,E_2 是能量,p1,p2\boldsymbol p_1,\boldsymbol p_2 是动量。动量有方向,两条背对背径迹的动量可以相互抵消。

磁场中的横向曲率

pT[GeV/c]≃0.3∣q/e∣B[T]R[m]p_T[\mathrm{GeV}/c]\simeq0.3\left|q/e\right|B[\mathrm T]R[\mathrm m]

磁场相同时,动量大的径迹弯得较少。保持同一对候选,提高磁场,画面中的径迹更弯,候选记录的动量与质量保持原值。

常见难点

峰里也会混入普通事例

容易误解凡是质量落在峰附近的粒子对,都来自同一种母粒子。

正确理解平滑连续谱也会落进峰所在的区间。这里分别画异号候选与同号对照,帮助看清峰与连续部分;同号对照还没有归一化成精确的本底预测。

筛选会改变留下的样本

容易误解提高动量门槛,只会把整条质量谱等比例压低。

正确理解不同质量、不同方向的候选,通过门槛的机会不同。改动筛选条件后,要看留下的是哪些事例,以及谱形怎样改变。

动手实验

  1. 01

    从谱回到径迹

    点击质量谱的峰附近,再点击远离峰的位置。

    你会看到: 每次点击都选出一对冻结候选。记录编号、质量和三维探测器中的径迹一起更新。
  2. 02

    比较清晰与模糊的峰

    依次选择“质量峰”“模糊的峰”和“只有连续谱”。

    你会看到: 动量分辨变差,质量峰变宽。只留下连续谱时,原来的窄峰消失。三种预设都来自明确标注的模拟样本。
  3. 03

    筛选同一批候选

    展开“筛选与模型”,提高最小横向动量,再缩小赝快度范围。

    你会看到: 通过的候选变少;原有记录保留自己的动量。赝快度描述粒子相对束流轴的方向,限制它的绝对值会留下更靠近横向的粒子。
  4. 04

    看看别的碰撞样子

    选择双喷注或光子反冲,再展开“探测层与事例生成”。

    你会看到: 这些预设生成独立的教学事例,用于比较径迹、量能器和穿透信号。回到质量峰,就继续查看双缪子候选。

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