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粒子与探测器 · 阅读路径
怎样认出一种新粒子
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一束粒子里，熟面孔太多
1955 年，伯克利的张伯伦、塞格雷、威根德与伊普西兰蒂斯在 Bevatron 加速器上寻找反质子。他们要找的粒子质量与质子相当，电荷却为负。加速器能提供足够碰撞能量，困难在碰撞之后：大量普通负 π 介子也沿着同一束流通道跑来，稀少的反质子夹在其中。
高能质子打进靶中，碰撞产物被磁铁引向一条次级束流通道。选负电荷可以挡掉正质子，却挡不住负 π 介子。要是只在末端安一个会响的计数器，响声只能说明有粒子到达，还说不清到的是什么。
来源：[1]
造反物质，还要配上普通伙伴
产生反质子，要比把一颗质子的电荷翻过去困难得多。碰撞可以把入射动能变成额外一对质子与反质子的质量，原来的核物质也要留在末态中。新一对正负电荷互相平衡，所有产物还要分到运动能量。能量守恒从一开始就规定了门槛。
固定靶实验还有反冲。靶起初不动，入射束却带着总动量，末态必须继续带走这份动量。这样，一部分束流能量要用于整体运动，不能全部拿来造新质量。实验室束流所需能量，便明显高于单看新粒子对质量得到的数。
这解释了为什么 Bevatron 的能量如此重要。较早的加速器能研究许多核反应，却未必够得着这个产生门槛。够得着之后，也没有立刻得到干净反质子束，碰撞仍会制造更多轻粒子。
发现因此有前后两项任务：加速器先让反质子有机会出现，束流线路与计数器再从产物中识别它。后半段对动量和速度的精细比较，与前半段高能碰撞同样关键。
来源：[1]
磁铁选动量，计时器量速度
磁铁按照动量与电荷的比值选择粒子。实验挑出的动量约为 11.9 亿电子伏除以光速。这是加速器里常用的动量单位；给定单个负电荷，动量落在小范围内的粒子才能沿设定路线通过。
同样动量下，轻 π 介子跑得接近光速，重得多的反质子则明显更慢。团队沿一段已知距离放置闪烁计数器：粒子穿过时发出短促闪光，电子线路把闪光变成计时脉冲，比较两个脉冲就能测出飞行时间。
计时路径约十二米。π 介子大约四十纳秒跑完，质子质量的粒子则需要约五十纳秒。一纳秒是十亿分之一秒。日常经验里，这点差别小得不可想象；在电子线路里，它已经可以分辨。知道动量，再量速度，质量也就有了着落。
来源：[1]
切伦科夫计数器再问一次
团队还让另一类探测器独立检查速度。带电粒子在介质中跑得比该介质里的光的相速度更快时，会发出切伦科夫光。换一种材料，发光门槛也会改变；计数器便能帮助排掉接近光速的 π 介子，挑出反质子应该落入的较慢速度范围。
磁铁、闪烁计时与切伦科夫信号结合后，电子符合线路要求几个信号来自同一颗经过的粒子，减少无关脉冲碰巧拼成候选事例的机会。这样，即使计时偶尔出错，光学计数器仍会继续检查这颗粒子是否像一颗快速 π 介子。
最终选出的负电荷粒子，在实验精度内具有质子的质量。质量与电荷一起确定了反质子的身份。后续湮灭实验又追踪它遇到普通物质时会发生什么，把发现推进到相互作用的研究。
来源：[1]
同一颗粒子，要问几个问题
原始报告发表于 1955 年，张伯伦和塞格雷在 1959 年获诺奖。威根德与伊普西兰蒂斯也是发现论文的作者和实验的重要参与者。把这些名字保留在故事里，才能看清证据来自一套合作运转的加速器、束流线路与探测器。
这套辨认方法后来反复出现在粒子物理中。先让磁铁选定动量，再用飞行时间量速度，还要另一套探测器检查速度判断。稀有粒子之所以能从大群熟面孔里显现，是因为同一个事例接受了几次彼此配合的测量。