粒子探测器如何捕捉粒子

每时每刻，无数的亚原子粒子流都在穿过你的身体，每一秒，大约1000亿个来自太阳的中微子穿过你的身体。即使是不起眼的香蕉也会发出负电子，即电子的反物质对应物。整个粒子宇宙都存在，我们大多都忘记了，主要是因为这些粒子是看不见的。

为了真正理解最根本层面的问题，人们必须能够想象这个隐藏的世界。这就是粒子探测器的用处。他们发现了宇宙中最微小的成分的痕迹，使这些无形的概念成为现实。更重要的是，粒子探测器揭示了美：粒子留下优雅的气泡螺旋，闪烁的光和清晰的火花线。

当粒子穿过一种材料时，它会留下痕迹。这些痕迹有多种形式：光、热或电荷。伊利诺伊州巴塔维亚的费米实验室粒子物理学家詹妮弗·拉夫说：'基本上，每个粒子探测器都在寻找这三样东西中的一种或多个。粒子探测器将面包屑转化为可以记录和分析的信号。'这些信号有助于揭示标准模型的物理原理，这是描述自然粒子和力的科学的一项最辉煌的成就。它们也可能是发现超越标准模型的物理学的关键。

随着时间的流逝，探测粒子的技术有了很大的改进。下面是几种类型的探测器，使看不见的粒子变得可见。

云室

科学家可视化粒子轨迹的第一批方法之一是云室。一个多世纪前，云室里充满了气体——通常是酒精的蒸汽——即将凝结成液体。当带电粒子穿过腔室时，它会从内部的空气中剥离电子，产生启动凝结的电荷。沿着粒子路径形成一条细小的线，就像一条微型反面。

科学家经常用强磁场包围云室和其他探测器，将粒子的路径弯曲成曲线或螺旋。负带电粒子向一个方向弯曲，正粒子走相反的路。其他细节进一步描绘了粒子：例如，曲率的量表示粒子的动量。

云室在20世纪30年代揭示了各种以前未知的粒子，包括电的重表亲——负电子和巨无霸。这些粒子大多是出乎意料的。当时，物理学家们几乎无法掌握电子和质子以外的粒子的存在。

气泡轨迹

20世纪50年代都是关于泡沫室的。

当带电粒子通过气泡室中的液体时，它们会留下微小的蒸汽气泡，就像彩虹球体尾随肥皂泡棒一样。虽然房间通常充满液态氢，但可以使用各种液体：一个早期的原型甚至使用啤酒。气泡室可以比云室大，并产生更清晰的轨道，从而能够更详细地观察更多的粒子。

在同一十年中，粒子加速器脱颖而出。这些加速器产生高能粒子束，科学家可以撞击到其他粒子或目标。这些碰撞激起了一连串的新粒子。科学家将这些光束送入气泡室，观察发生了什么。

由此产生的图像不仅在科学上具有启发性。

数字化

云室和泡泡室有缺点。轨道通常用照片记录下来，每一条轨道都必须用眼睛检查是否有任何感兴趣的东西。这个过程太慢了：如果那样的话，它让物理学家们没有发现在无数照片中可能只出现一两个粒子的粒子。要找到最稀有的粒子，'你不能真正看图片。你希望以智能的方式将信息数字化，'费米实验室的粒子物理学家萨姆·泽勒说。

进入多线比例腔室。这项技术发明于1968年，依靠一系列细小的高压电线，这些高压电线记录了当传入粒子将电子从充满气体的腔室中的原子中分离出来时产生的电荷。这项技术每秒可以捕获数百万个粒子轨迹，远远超过气泡室所能达到的。数据直接进入计算机进行分析。多线比例室及其后代彻底改变了粒子物理学，并导致在20世纪70年代发现了魅力夸克和胶子等粒子，并在20世纪80年代发现了W和Z玻色子。

一些最先进的现代探测器追溯到多线比例室，如液态砷时间投影室。这些探测器是高分辨率的，这意味着研究人员可以放大相互作用的细节，并在三维中可视化它。 液体砷时间投影室将是美国即将进行的最大粒子物理实验之一，南达科他州深地下中微子实验的关键。由于中微子很少与物质相互作用，实验需要如此先进的探测技术。

闪烁器

科学家还设计了通过光探测粒子的方法。当粒子移动超过给定材料的一定速度限制时，它发出光，称为切伦科夫光。它类似于飞机通过音速屏障，并创建一个声震。带电粒子在通过含有某些化学物质的材料时也会发出光，称为闪烁器。

为了发现单个粒子留下的少量光，科学家使用最初在20世纪30年代发明的光倍增管，将光转化为电信号。这些管子可以用来拾取切伦科夫光或闪烁光。

1956年，当一罐液体闪烁器被用来发现中微子时，闪烁探测器开始证明它们的价值——曾经被认为是完全无法探测到的。液体闪烁器探测器仍然很常见——例如，在费米拉布的NOvA中微子实验中使用——用固体塑料条制成的探测器与闪烁器混合在一起。

对撞机

世界主要粒子对撞机的现代探测器，如日内瓦附近的欧洲核子研究中心大型强子对撞机的探测器，可以投射出一切。'这是不同类型的探测器的洋葱：每一层都是不同的东西，'拉夫说。

这些大型机器高耸多层，包括各种技术——塑料闪烁探测器、切伦科夫探测器、多线比例室的后代。它们通常还包括由硅制成的探测器，可以精确测量粒子轨迹，这些轨道基于粒子通过时产生的小电流。这些探测器都在一个非常强大的磁铁内协同工作。粒子在探测器中心碰撞后，计算机会处理来自所有部件的数据，并重建碰撞中发生的情况，追踪粒子所走的路径。

无论技术如何，迷人的亚原子象形文字都允许物理学家破译物质的母语，揭示物质的成分和它们交流的力量。