跳到主要内容
Sandbox Physics
留下粒子经过的痕迹

粒子 · 实验 · 发现

乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子

显微镜下的一串银颗粒,怎样分出了两种不同的粒子?

  1. 让灵敏乳胶接受照射

  2. 显影出银颗粒径迹

  3. 跟踪停下来的初级粒子

  4. 测量次级粒子的射程

次级径迹从初级粒子的终点出发,把两者连成一次事例。

能在山上静静等待的探测器

1947 年,Bristol 的 Powell 小组在照相乳胶中发现:一个粒子停下来,终点竟接着长出另一条粒子径迹。Lattes、Muirhead、Occhialini 和 Powell 的报告,帮助确立了 π 介子,并把它和 μ 子分开。探测器用不着等粒子来时再按快门,它已经把经过的痕迹存进材料,等着研究者带回去显影。

乳胶是明胶里悬着大量细小的卤化银晶体。带电粒子走过,沿途影响这些晶体;化学显影再把受影响的晶体变成深色银颗粒,显微镜下就能连成一条线。普通胶片给了这个办法起点,但核乳胶还得提高灵敏度、增加厚度,才能保留足够长的粒子运动。

一块板可以放在高山上接受宇宙线照射,再运回实验室。海拔高,更容易接触尚未在大气中衰变的短寿命粒子。回到显微镜前,工作才进入细处:调焦到不同深度,一颗接一颗追下去,别把两条恰好相交的线认成一条。这些测量需要仔细的扫描,也需要能重复标定的乳胶。

来源:[1][3]

跟到终点,再接着跟下去

关键不只是照片上多了一条线,而是两条线接在一个有意义的位置。初级粒子走到终点,次级粒子从那里出发。要把它认作新过程,研究者得量两段路线,不能只看有没有拐角。慢带电粒子临近停下时,单位距离损失的能量往往增大,颗粒也更密;它在材料中走到停止的总距离,叫射程。

1947 年后续报告列出四十例产生次级介子的过程,其中十一例次级粒子也停在乳胶里。完整的射程尤其有用:如果母粒子静止后按固定方式衰变,子粒子可能带着确定的能量出发,多次事例就会出现相近的子粒子射程。几条有共同特点的线,比一张孤立的奇怪照片更有说服力。

逐渐清楚的图像是:此前都被宽泛地叫作介子的粒子,实际有不同种类。π 介子能强烈参与核相互作用,也能衰变成 μ 子和中微子;μ 子则是宇宙线中早已熟悉的穿透成分。中微子不带电,它带走的那份能量也随之离开了可见径迹;照片记录的是衰变中的带电部分。

来源:[1][2][3]

颗粒路线要有可比较的尺度

路线长,不能直接读成质量大。射程同时取决于初始能量、粒子种类和材料。同一种粒子,出发快慢不同,也会在不同距离停下。研究者得把几种可量的特征放在一起,再和粒子在乳胶中减速的已知规律比较。

散射也是线索。沿途许多小碰撞把路线一点点打偏,偏得多少与动量和经过的材料有关。颗粒密度透露电离有多强,完整射程又给出另一种关系。几项信息联合起来,比凭“这条线更黑”或者“那条线更长”认粒子可靠得多。

这些量还得有共同的标定。同一批乳胶怎样制备、显影会让多少晶体留下银粒,都会影响比较。Powell 发展方法的工作因此包括材料本身,也包括怎样从材料中抽出可以重复测量的物理量。发现新粒子的那几条线,靠的正是这套更细的准备。

来源:[3]

熟悉的三段图像来自更灵敏的乳胶

许多介绍喜欢展示一条完整的衰变链:π 介子一段,μ 子一段,最后再伸出细细的电子线。这幅图很漂亮,却不能原样放回 1947 年最初发现的那块乳胶。能够记录末端电子的更灵敏乳胶,1948 年才出现。CERN 档案专门区分了后来这类完整照片和早期发现所用的乳胶。

材料的差别会改变研究者能看见什么。少了一条线,可能因为粒子中性,可能因为它出了有效体积,也可能因为乳胶对这类带电粒子不够灵敏。解释照片时,要先问拍下它的材料究竟能记录什么。乳胶改进之后,原本断在半路的故事才能继续追下去。

来源:[4][3]

照相方法迎来 1950 年诺奖

1950 年诺奖表彰 Powell 对照相方法的发展,以及关于介子的发现。材料制备、高山曝光、显微扫描和物理解释一起完成了这件事。决定性的线索很具体:一个粒子走来、停下,另一个行为不同的粒子从那里出发,而且这种连接能在更多事例中重复找到。

来源:[3]

来源与阅读说明

  1. C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini and C. F. Powell, Processes involving charged mesons (1947)

    五月报告给出产生次级介子的终止径迹,论文保留当时的粒子称呼。

  2. C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini and C. F. Powell, Observations on the tracks of slow mesons in photographic emulsions (1947)

    十月报告记述四十例次级介子事例,其中十一例次级粒子停在乳胶内。

  3. C. F. Powell, The photographic method and its application to problems in nuclear physics (1950)

    Powell 说明乳胶发展,以及怎样用颗粒密度、射程和散射辨认粒子。

  4. CERN, Half a century ago the pion pioneers (1997)

    档案指出,常见的完整三段衰变照片采用的是后来能记录电子的乳胶。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策