高能粒子探測

通過實驗手段對高能量基本粒子進行的探測。從20世紀50年代開始，由於高能加速器技術的發展，被加速粒子的能量越來越高，因此，在不同的時期，“高能”的定義是不同的。在60年代，幾吉電子伏就認為是屬於高能範圍。到了80年代，幾十吉電子伏以上才夠得上稱為高能。為了着重敍述高能粒子的探測方法，這裏把幾吉電子伏能量的粒子認為是高能粒子。

在所有的高能粒子中，除了電子e和質子p可以用加速器加速的辦法達到高能量以外,其他的高能粒子,如帶電的π±介子、K±介子、反質子圴、Σ±超子、μ±子(也包括e和p)和不帶電的（即中性的）中子n、Ko介子、Λo超子、γ光子、J/ψ粒子、μ子中微子vμ、電子中微子ve等等，都只能在粒子的相互作用中產生。對於高能粒子相互作用，一般可表示成以下形式：A+B→C+D+E+F+…,A為入射的高能粒子，B為靜止的靶粒子（在AB對撞的情況下，A和B在質心繫都為高能粒子），C、D、E、F等為A和B作用後產生的次級粒子。高能粒子探測的基本內容就是：記錄次級粒子數目,確定次級粒子本身的性質(質量、電荷、壽命)以及確定次級粒子的運動量(能量、動量、飛行方向)。

探測高能粒子的基本原理是依據帶電粒子與物質原子的電離或激發作用，不同粒子有不同電離(和激發)強度與動量的關係曲線。現代的絕大多數探測器都是根據這個原理製成。帶電粒子可以直接被探測器（如核乳膠、氣泡室、流光室、多絲正比室；漂移室等）探測到，因此可直接測定其性質。而中性粒子不能使物質原子產生電離（或激發），因此必須通過間接方式來確定其性質，如通過探測其衰變的帶電粒子或探測與物質作用產生的帶電粒子。在某些情況下，還可利用高能帶電粒子的切倫科夫輻射效應、穿越輻射效應等作為探測原理。此外，由於各種粒子本身的性質不同(如強子、光子和輕子等)，在探測方法上也有很大的差別。

需要確定哪些次級粒子性質取決於實驗本身的要求。只要求測定一個次級粒子的性質的實驗叫做單舉實驗；要求測定全部次級粒子的性質的實驗叫做遍舉實驗。不管哪種實驗，對於要測定的具體次級粒子，一般都要求探測出它是什麼粒子（亦即確定其質量和電荷，有時還要求確定其壽命），它的動量以及它的飛行方向，對於每個相互作用，通常還要求確定由作用產生的總的次級粒子數目。

確定一個粒子是什麼粒子，最主要的是要精確測定其靜止質量。由於不同的粒子具有不同的固有質量，知道了質量就等於確定了粒子。因此確定粒子質量是鑑別粒子的最重要的手段。粒子的質量常常不能利用一種方法直接測定，一般都需要測定二個物理量，例如動量、動能、速度（或洛倫茲因數）等中的兩個，然後再經過推算確定其質量。

高能粒子的速度接近光速,因此粒子的質量m、動量p、動能T、速度β及洛倫茲因數γ之間的關係必須採用A.愛因斯坦的相對論性公式：由於p、T、pβ、β、βγ、γ等都是直接可測量的量,所以測定了其中的兩個量(其中之一必須含m的),就能確定質量m。選擇測哪兩個量最好，要看具體的實驗情況,它取決於所用的探測器，出於簡便和精確的原因，常測的一個量是動量。

測定帶電粒子動量的主要方法是利用外加磁場。由於在一定的均勻磁場強度H下，動量p正比於粒子軌跡的曲率半徑R在與磁場垂直平面上的投影R/cosα（α為粒子相對該平面的仰角），因此根據已知H，用探測器測定R及α，就可確定粒子的動量。其關係是：,p、H、R的單位分別是MeV/c、Gs、m 。對次級粒子來説，無論從確定粒子質量，還是物理分析的需要，測定動量是極為重要的。

①帶電粒子在物質中與原子進行庫侖散射,將使原子激發或電離,為此,粒子要消耗能量。經過dx間距所損失的能量為－dE。實驗表明,粒子在單位距離內的能量損失是與該粒子的動能T有確定的關係,因此,用實驗方法測定值或者是n值，ω為產生一個離子對的平均能量，n為單位長度內產生的離子對數,就可以得到T值。對於不同的帶電粒子(如e、π、p)，的關係是不同的,但由於不同粒子的的關係曲線存在重疊區,這種方法只在一定範圍內適用。② 如探測器物質足夠厚或足夠密,使得帶電粒子能在其中損失掉全部動能而停下來，則根據粒子的射程可確定動能T,因為射程與動能T及質量m有關。T大，m小，射程就越長。對於相同的T、m,物質不同,射程也不同，因此射程也是一個測量量。但對高能粒子來説,使粒子停下來是困難的,故這類測量大多用於粒子能量不太高的情況。不同物質中，各種粒子的射程－能量關係通常有表可查（射程測量對電子是不適用的，因相同T的電子,射程漲落太大）。③用全吸收效應測量總動能。對能量較高的粒子，常可用很大、很厚、很密的物質（如大碘化鈉晶體，鍺酸鋇晶體,鉛、火花室交替,鉛玻璃閃爍體等）作為媒質的探測器，使粒子在其中發生作用而產生次級粒子，次級粒子再發生作用，使再產生次級粒子,如此重複地進行,最後使全部次級粒子停止在探測器中，由於被探測的粒子在媒質中損失的總能是與該粒子的動能成正比,因此根據測得的總能,可確定入射粒子的T。這種方法可測定較高能量粒子的總能,用得比較廣泛。根據這種原理製成的探測器叫做粒子量能器。

pβ的測定 　在一定的條件下，利用粒子在物質中的多次庫侖散射可確定pβ=γβ2m值。多次散射的大小是以粒子多次偏轉的平均角度峞（峞為粒子徑跡水平投影角α絕對值的平均值）來度量的，它與物質元素的核電荷數Z、通過物質的厚度t及粒子的pβ值有以下關係：，式中k1為散射常數,對確定的物質是已知的，而物質元素的Z及t也是已知的，因此根據測量值α，就可得到pβ值。這種測量一般只能在密物質(例如核乳膠、氙氣泡室等) 中進行，在輕物質中不能作這種測量，所以應用並不廣泛。

速度β的測量 　① 利用切倫科夫輻射效應：cosθ=。β為入射粒子速度，n為透明媒質的折射率，θ為切倫科夫光的發射角。所以測定θ，已知n,就可求出β。這種測量也有一定範圍。當β很接近於1時，就很難精確測定β了。②飛行時間法。使粒子分別通過探測器A和B,如果知道AB之間距離為l及經過的時間間隔為Δt，則可直接求出β=l/Δt,此法就是利用測定粒子飛行時間Δt(已知l)的方法來求得β。

βγ的測定 粒子通過探測器時,根據記錄到的單位距離內的離子對數 (如雲室中的水珠數、泡室中的氣泡數、流光室中的流光數等等,亦稱電離程度)N可以求得βγ值。N和βγ有以下關係:，A和k在一定條件下為常數。通常的做法是事先作出I/Io(即N/No)與βγ的關係曲線，然後根據I/Io的測量值求得βγ值。I（或N）為粒子的電離度，Io(或No)為該粒子的最小電離度。

γ的測定 　當粒子能量很高時,β≈1，而洛倫茲因數γ卻與能量成正比，能量越高，γ就越大。因此，對於很高能量的粒子,γ是一個理想的測量量。測定γ,可以利用粒子穿過多層物質時的穿越輻射效應，實驗表明，由粒子產生的穿越輻射（X射線區）的光子數是與粒子的γ值成正比，因此測定穿越輻射的光子數就可得到γ值。這種方法一般只能用於探測單個粒子，而且精度並不太高。

粒子電荷的探測　整數電荷 　由於迄今為止所觀察到的高能粒子都是單電荷（電荷量等於電子或質子的電荷量）或中性的，所以確定粒子的帶電性，實驗上就是簡單地確定電荷符號是正的、負的或是中性的，確定正、負帶電粒子的唯一方法就是利用外加磁場，而觀察粒子徑跡在磁場中的偏轉方向。以電子徑跡的偏轉方向作為帶負電粒子的偏轉方向。相反的偏轉方向就為帶正電粒子。實驗上通常都是把測量動量和確定正、負電荷結合在一起。對於中性粒子，由於探測器對它不靈敏，因此只能根據次級作用產生的帶電粒子來推斷它的存在，並且確定它是中性的。

分數電荷　根據量子色動力學理論的預言，組成強子的夸克，其所帶的電荷並不是質子電荷e的整數倍,而是分數電荷,如等。在探測分數電荷粒子的情況下,除了需要知道其正、負號以外,更重要的是確定其電荷的絕對值。這就需要利用專門的實驗，一般有以下幾種方法：①測量電離法(用於雲室和氣泡室)。由於電離度I與電荷數Z的二次方成正比,故在相同速度下,分數電荷粒子的電離度要比單位電荷粒子的電離度小二次方倍。如單位電荷粒子的最小電離度為Io,則粒子的最小電離度為，粒子的最小電離度為。②低脈衝信號法(用於閃爍計數器)。原理是利用。對分數電荷粒子，其輸出信號要比單位電荷粒子信號小二次方倍。③鈮球法。用處於超導狀態的小鈮球懸浮在兩個金屬板之間的磁場中，外加交變電場使鈮球受迫振動,測量其振幅的變化速率,就能測定其絕對電荷。方法類似於確定電子電荷絕對值的油滴法。作為帶電荷小球，也可以選用其他元素,如汞等。

粒子壽命的探測　衰變是個統計過程，對於高能相互作用產生的次級粒子，通常並不（需要）測定每個粒子的壽命，而是多粒子的統計平均壽命，粒子壽命的測定是取決於具體的實驗要求、精確測定不穩定粒子的壽命，需要設計專門的實驗。一般的實驗，在允許的情況下，也可以附帶測知粒子的壽命，但探測粒子的種類是極有限的。

對高能粒子來説,如μ子(平均壽命為10-6s)、π±介子（平均壽命為10-8s）等，絕大部分是不會在探測器中衰變的，例如 1GeV/c的μ子平均可飛行4600m，同樣能量的π±介子平均可飛行55m,通常只有10-10s量級的粒子(如Ξ、Ω、Σ、Λ、K恜等)才能在探測器中同時看到產生點和衰變點，因此可以直接測定其壽命，對於壽命更短的粒子,例如πo介子(壽命為10-16s)以及共振態等,在探測器中所觀察到的產生點和衰變點是重合在一起的，因此也不能根據其飛行距離來測定壽命。共振態粒子的壽命常在10-22～10-23s範圍，估計它們壽命的唯一方法是根據它們的質量分佈寬度。分佈越寬，壽命越短。

空間飛行方向的探測　次級粒子相對於入射粒子的飛行方向是實驗上必須精確知道的一個重要量。它由出射角θ及方位角φ表徵，對於要精確測定次級粒子空間位置的實驗，必須利用徑跡室或空間分辨較高的粒子探測器。一般確定空間飛行方向的方法是先測量次級粒子徑跡上某些點的空間座標(xi,yi,zi),然後通過數學計算得到粒子飛行方向的幾何量θ和φ。