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Sandbox Physics
留下粒子经过的痕迹

粒子 · 实验 · 发现

Bothe 和 Geiger 怎样认出同时发生的两个信号

两只计数器都响了,怎样判断它们记录的是同一件事?

  1. 记录两个探测器的时刻

  2. 比较短时间内的响应

  3. 估计偶然成对的信号

  4. 检验共同事例的解释

符合按时间选择事例,偶然配对率也必须测量。

要问的是每一次碰撞

1924 至 1925 年,Bothe 和 Geiger 在柏林帝国物理技术研究所追问:X 射线发生散射时,反冲电子和散射辐射,会不会在每一次过程中一起出现?Compton 的研究已经把辐射与电子之间的能量交换摆到眼前。当时 Bohr、Kramers 和 Slater 的一种方案允许守恒只在大量过程的统计意义上成立。要分辨这些解释,就得看单次事例。

只量平均电流不够。两只探测器一小时里各响一百次,也可能从来没有响在同一件事上。一只计数器记录反冲电子,另一只探测散射辐射造成的带电信号;两边的时刻需要放到同一个时间参照下。总数相近之外,实验要多问一句:它们是在什么时候响的?

这有点像听回声。只数一个小时里喊了几声、回来几声,配对关系就丢了;把时刻记下来,稳定的短延迟才会显出来。Bothe 和 Geiger 找的是两边紧挨着的响应,同时要给计数器本身的反应时间留出余地。

来源:[2][3]

时间窗口太宽,也会凑出一对

两个信号落进规定的短时间,就叫符合。但同处一个窗口,还不能直接说明同一个原因。两只互不相关的计数器响得够多,总会有几次凑巧挨在一起。窗口放宽,偶然配对就增加;收得太窄,探测器响应稍有迟早,又会漏掉真正的一对。

可以设想桌上有两台各自乱响的节拍器。如果规定相差一整秒都算一对,会凑出很多对;改成一秒的很小一部分,凑巧的次数就少得多。辐射计数器用的是另一种信号和时间尺度,但判断偶然配对的思路一样。

Bothe 和 Geiger 比较了近乎同时出现的信号,以及互不相关的事例能贡献多少偶然配对。结果支持散射辐射与反冲电子在单次相互作用中相伴出现。这套装置主要确定时间上的联系,并没有逐次量出所有出射能量和方向;这已经能检验当时那个允许守恒只在统计上成立的方案。

来源:[2][3]

怎样估计“只是凑巧”的次数

偶然符合取决于两边各自响得多频繁,也取决于接受多宽的时间间隔。一边响得更多,另一边的无关脉冲就有更多机会落到附近。可以改变时间条件来检查,也可以把一边的时刻故意平移,再问还能凑出多少对。足够大的平移会拆散真正紧挨着的响应,独立脉冲仍有机会碰巧重合。

这样的比较也需要条件相近。若源强在一段记录里变化很大,拿另一段时间来估本底,单次脉冲率可能已经不同。若某种本底过程本身就能同时打响两个探测器,它也会通过符合选择,不能一概归进互不相关的偶然配对。

时间并不是一张自动认出粒子的身份证,它给的是一种可测量的联系。先看近同时信号比凑巧情况多多少,再问这种联系是否符合装置的几何和研究中的反应,才能一步步把两个脉冲接到一次物理过程上。

来源:[3]

两个计数器还能选出一条方向

再把位置加进去,符合就更有用了。两只计数器上下排列,要求同时响应,穿过两者的高能粒子就是合理的共同来源。在中间放吸收材料,再看哪些符合还能留下来,就开始测辐射的穿透能力。选择时间,也能帮助选择方向。

这个办法后来进入宇宙线研究,也进入由计数器控制的云室。电信号告诉机械装置什么时候启动,云室再留下详细路线。计数器快,却不直接给完整图像;云室慢,却能保存空间细节。两者接起来,才能高效地收集罕见事例。

1954 年物理学奖的两份贡献需要分清:Born 获奖关乎波函数的统计解释,Bothe 获奖关乎符合方法及相关发现。它们同处量子物理发展的年代,各自回答的问题却不同。符合方法留下的做法很实在:保存时刻、估计偶然配对,再用彼此关联的信号研究单次事件。

来源:[3][1]

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. W. Bothe and H. Geiger, Über das Wesen des Comptoneffekts (1925)

    原始符合实验检验散射辐射和反冲电子是否在单次事例中相伴出现。

  3. W. Bothe, The coincidence method (1954)

    Bothe 的诺奖书面讲稿回顾计数器、摄影计时及穿透辐射研究。

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