题献
谨将此文献给我的母校人大附中
前几天，人大附中的3位老师和8位学生到他们的姊妹学校Illinois Mathematics and Sciences Academy (IMSA)访问。人大附中是我的母校，而IMSA是我所供职的费米实验室第二任所长、诺贝尔奖获得者Leon Lederman倡导创办的。人大附中师生访问的一项内容是参观费米实验室，我参与了接待。交流中得知，不少师生是《知识分子》的热情读者。同学们问我，母校给我留下的深刻印象是什么。经过这么多年，我还记得老师谈及当年劳模们在母校读书的故事，这些故事留给我的参悟就是要注重联系实际，在科学上，就是要注重实验。这篇文章，就是谈怎样做实验的（作者关于高能物理实验的上篇文章《守株待兔觅毛皮——漫谈高能物理实验》）。
微观世界的礼花
《红楼梦》里，凤姐讲了一个笑话：“再说一个过正月半的。几个人抬着个房子大的炮仗往城外放去，引了上万的人跟着瞧去。有一个性急的人等不得，便偷着拿香点着了。只听‘噗哧’一声，众人哄然一笑都散了。这抬炮仗的人抱怨卖炮仗的扎得不结实，没等放就散了。湘云道：“难道他本人没听见响？”凤姐儿道：“这人原本是聋子。”众人听说，一回想，不觉一齐失声都大笑起来。
凤姐的笑话对我们做科学实验有很多启发。对于我们想观测的物理现象而言，我们是又聋又瞎，可能还不如那抬炮仗的人。但是我们通过其它相关的现象，比如感知到炮仗或看热闹的人呼啦啦地散去，却可以间接地了解暂时观测不到的现象。
在高能物理实验中，我们让质子或电子对撞，生成了新的粒子，但我们怎么能知道它们真的存在呢？还记得节日的晚上我们看烟花表演吗？黑暗中，烟花弹从地面打到天空，我们通常看不见烟花弹本身，更无法判断烟花弹的种类、重量，是不是受潮。这一切疑问，等到烟花弹在空中爆炸，就变得一目了然了。
高能物理实验中生成的新的粒子绝大多数很快就会发生衰变，这一现象帮了我们的大忙。新粒子发生衰变时，至少产生两个粒子，朝周围飞开来，打到周围的探测器。如果衰变的产物是稳定的，它们会飞很远。这些衰变产物也可能不稳定，可能继续衰变，不过在它们衰变前，就可能飞过几米乃至十几米的距离，打过很多层探测器。
要真正地看见这些衰变产物，必须通过一系列的物理效应，让它们最终变成人可以看见的信息。过去，人们让粒子飞过云雾室或气泡室，带电粒子会留下看得见的径迹，然后人们用照相机将这些径迹照下来。这种实验用的都是35毫米拍电影用的大盘胶卷，笔者办公室墙上还贴了一小段作为纪念。现在，所有探测器基本上都是将粒子飞过的信息转化为电信号，采集并存入计算机，再对它们进行分析。
高能物理探测器的结构
人类掌握的技术突飞猛进，可是自然规律却是不变的，至少在人类存在这样的时间尺度里是不变的。所以现在的高能物理探测器，和二三十年前的探测器，从大的结构上看，长得基本上差不多。
图1：CMS构造。图：CERN Geneva
就说对撞机里的探测器吧，图1是CMS（Compact Muon Solenoid，紧凑型缪子螺线管探测器）的结构图，好像有点似曾相识吧？对撞机的探测器基本都是轴对称的，两束粒子沿着对称轴飞过，在探测器的中心对撞。各个子探测器大多是包围着对撞点，一圈一圈地构成由小到大的桶形。它们通常是由一块一块的探测器模块拼接起来，看上去很像过去木桶上的木板（没有短板的那种）。
高能物理历史上有些实验的探测器只有桶部。这类只有桶部的探测器有个不很正式的名称，叫2π谱仪，因为它的探测器单元覆盖了整个360度的圆周角。
人们费那么大力气建造探测器总不想漏掉什么，粒子束对撞后，有些产物有可能沿着与束流成很小角度的方向飞出。所以现在几乎所有对撞机的探测器都有两个端盖，端盖上的探测器模块布置成若干层圆板型，整个探测器合起来以后就像层层套叠的木桶，每个都盖了个圆盖。这种探测器覆盖了整个4π立体角（不是平面角），所以叫4π谱仪，通常简称为“谱仪”。
谱这个字很重要，粒子在谱仪中飞过，不仅要看见打过的痕迹，更要靠谱地测量出粒子的性质，比如动量。因此，最内层靠近对撞点的探测器，多半是粒子径迹探测器，比如气体漂移室，或者硅探测器。径迹探测器需要处在磁场之中，这样带电粒子飞出来的时候，就会受到洛伦兹力的作用拐弯，拐弯的半径与粒子的横向动量成正比。于是，一个带电粒子飞出来，会在周围每一层探测器上打一个点，这些点构成一条曲线，具体来说，在均匀的轴向磁场之中，这条曲线是螺旋线。根据曲线的几何参数，我们可以算出带电粒子动量的大小和方向。图2显示几种粒子飞出CMS探测器时在各个子探测器上留下的信号。我们可以看到，带电粒子是拐弯的。
图2：不同粒子飞出CMS探测器时在各个子探测器上留下的信号。图：CMS General
不带电的粒子不拐弯，也不会在径迹探测器上留下痕迹，只能在量能器上看到。即使对一个带电粒子，我们除了要测出动量，还要测出能量才能算出它的静止质量，从而确认它是什么粒子。测量能量，要用到量能器，而量能器又分为电磁量能器（ECAL）和重子量能器（HCAL），量能器总是设计在径迹探测器之外的。
在谱仪中的磁场，通常是用一个很大的螺线管磁铁来产生的。对撞机的能量越高，所研究的衰变产物的动量就越大，需要的磁场就越强。因此实际上，很多实验中用的都是超导磁铁。
绝大部分粒子都会被量能器挡住，但还有一些穿透力比较强的粒子会飞到量能器以外，比如缪子。所以在谱仪的最外层通常都装了缪子探测器。一般来说，凡是能从对撞点飞到最外层的带电粒子，非缪子莫属。
您也许会问，衰变产物里不是还有中微子吗，谱仪的最外边为什么不再放个中微子探测器呢？
中微子与物质的相互作用非常微弱，即使放一个地球那么大质量的探测器，中微子也有很大的概率悄无声息地飞过去。所以，在对撞机实验的每个具体事例里，是否存在一个中微子只能靠推断，靠测得到的动量与能量中缺失的部分来推测。
高能物理中确实有直接探测中微子的实验，比如大亚湾的中微子实验。它探测的是在极大的中微子束流的情况下中微子与物质之间的作用，这种事件发生的概率非常低，但耐心地测上几个月到几年，也能得到不少结果。
总之，我们现在有关微观世界的知识，大部分都是在探测器里实实在在地测出来的。探测器就是我们眼睛，它使我们能观赏来自微观世界的礼花，进而推断出这些礼花的其他特征，以及它们背后的物理意义。
图3：一个可能的希格斯波色子的事例。图：CMS
图3是一个疑似希格斯波色子的事例。这东东是不是看着有点像礼花？
（说明一下，在径迹探测器中，我们实际测到的数据是一些点点，图里显示的径迹是把这些点点连在一起画出来的。）像这样的事例，是从数以亿计的事例中找到的，从这些事例中还要经过严苛的筛选，最后人们才能确信发现了一种新粒子。
转自：中国物理学会期刊网
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