多数照片等不到那位访客
云室能拍出惊人的宇宙线径迹,也能耗掉大量胶片。随便挑一个时刻膨胀,想要的粒子未必恰好经过。1932 年,卡文迪许实验室的 Blackett 和 Occhialini 把顺序倒过来:先让两只计数器发现粒子,再用它们共同的信号启动云室。难得来一趟的粒子,开始替自己选择拍照时刻。
两只计数器的位置经过安排,同时穿过它们的粒子,很可能也穿过云室。单独一只计数器响,原因可以很多;要求两只在很短时间内一起响,就能排掉大部分无关信号。这叫符合。相机还没拍照,装置已经用位置和时间帮研究者做了一轮选择。
机械活塞当然追不上粒子。能补上这点时间差的是粒子身后留下的电离。粒子飞走后,离子还会在气体里保留一小会儿;云室及时膨胀,就能让水滴沿着它们长出来。真正要赶上的,是电离扩散、消失之前的那段时间。
大部分入选照片都有了径迹
他们在 1932 年的短报告中写道,用这个办法得到的照片,超过四分之三含有高能粒子径迹。比例会随真实符合和偶然符合的多少而变。两只无关计数器也可能碰巧一起响,所以触发仍有误选;重要的是,有用照片终于多到足以系统研究。
可以把它想成门口的一台相机:前后两束光都被挡住才拍照,路边飞过的小虫就不容易误触发。但相机也因此偏爱某些行进路线。粒子计数器同样如此。它们提高了收集效率,同时规定哪些方向、哪些穿越方式比较容易进入样本。
照片中还常出现一簇簇径迹。磁场里,同向飞行的正负电荷向两侧弯,整组路线便能透露一场相互作用生出了哪些带电粒子。云室从“有东西来过”的记录器,进一步成为研究多粒子产生的工具。再从不同方向拍照,还能把空间中的交会与投影中的交叉区分开。
被选中的粒子也带着方向偏好
把下面那只计数器横着移一点,能同时穿过两只的路线就倾斜了。改变它们的距离、面积,能接收的方向范围也会改变。这个范围叫角接受度,说的是仪器对哪些入射方向敏感。一批照片中的路线看起来特别集中,可能有一部分原因来自计数器摆放,而不是天空中的粒子原本就只从那里来。
“多数触发照片都有径迹”和“拍到了多数经过的粒子”也有区别。前者说明很少浪费空照片;要回答后者,还得知道多少粒子绕过了计数器,多少在云室恢复时经过,多少沿着不容易被装置接受的方向飞走。
超过四分之三这个结果的用处很明确:研究者拿到一张触发照片时,很有希望能找到可研究的路线。若要由照片总数倒推宇宙线通量,就得进一步计算装置覆盖了多大面积、多少方向和多长灵敏时间。
对当时的簇射研究,先把有用事件经常拍到已经是巨大进步。接下来,图像中的弯曲告诉人们粒子可能带什么电,收集图像的方式告诉人们哪些事件容易被看见。两件事一起理解,才能把漂亮图案读成物理。
簇射里出现了正电子
1933 年的分析中,一些径迹需要这样一种粒子:电荷为正,质量却比质子小得多。这支持了 Anderson 此前发现的正电子。簇射中正负两种弯曲同时出现,也让电子与正电子成对产生成为有力的解释。研究者能把一组相连的路线放在一起,追问电荷从哪里来、能量流到了哪里。
Blackett 获得 1948 年诺奖,表彰的是发展 Wilson 云室方法以及核物理和宇宙线方面的发现。讲到这套由计数器控制的装置,Occhialini 的贡献同样不能略过。快的电信号负责挑时刻,慢的摄影负责留细节,两种技术由此接成一个实验。