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Sandbox Physics
留下粒子经过的痕迹

粒子 · 实验 · 发现

Blackett 和 Occhialini 让粒子触发自己的照片

两只计数器,怎样让难得一见的云室径迹经常出现在照片上?

  1. 发现两只计数器同时响应

  2. 触发云室膨胀

  3. 拍下尚未散去的电离线

  4. 比较簇射中的弯曲径迹

计数器选出粒子经过的时刻,云室保存它的路线。

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。

来源:[1][2]

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。

来源:[1][2]

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。

来源:[1][2]

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。

来源:[2][3]

来源与阅读说明

  1. P. M. S. Blackett and G. Occhialini, Photography of penetrating corpuscular radiation (1932)

    首次报告记述双计数器触发,以及超过四分之三的所选照片含有高能径迹。

  2. P. M. S. Blackett and G. P. S. Occhialini, Some photographs of the tracks of penetrating radiation (1933)

    原始簇射照片展示计数器选择和磁场曲率怎样共同使用。

  3. P. M. S. Blackett, Cloud chamber researches in nuclear physics and cosmic radiation (1948)

    回顾自动云室、核嬗变与电子正电子簇射。

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