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。
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。
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。
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]