物理学中的各种粒子，是如何通过各种实验证实存在的？
2015-02-26 18:05:29来源:知乎精选
话题： 理论物理,量子物理,基本粒子,实验物理,高能粒子物理
[PPT]粒子探测技术
《粒子物理实验方法》有关章节，唐孝威院士等编著; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research ... 1931-33年泡利，费米对原子核的 衰变谱的解释：中微子(1956年实验证实） ... 1930'-1950': 核乳胶(IIford Ltd. Kodak Ltd.),核碎裂， M
a 粒子使计数管内的气体电离，产生电子和离子，电子在电场作用下向中心的丝漂移且发生电子倍增，引起放电，可由静电计记录。
闪烁体：
1911, 卢瑟福用硫化锌 荧光屏观测a
射线，如果a 粒子达到屏上，显微镜可看到屏上出现闪光。并用进行了著名的a 粒子散射实验
1934
发现当射线穿过一些液体时会伴随有微弱的蓝光。对这现象的仔细实验，认识到这不是‘荧光’现象。1936年发现这种辐射有明显的空间‘不对称’特点，只出现在前向一定的角度。理论分析提出这是一种新的辐射‘切伦科夫辐射’(Cerenkov
Radiation)。
staff.ustc.edu.cn/~sunday/detector/0绪论.ppt
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
作为一个前粒子物理唯象研究者，我试着不用一张统计图和一个物理公式来回答这个问题，如果有不恰当的地方请相关人士指正。
提主举的例子很好，一粒灰尘，我们看到他，因为在阳光下我们可以用各种办法“捕捉”它，当然这也只限于“光学观测”了，根据量子场论的基本推论，探测物质的尺度跟能量成反比。当观测物的尺寸小于探测物的德布罗意波长（这个是什么可以不用理解，能量类似“探针”，如果“探头”比观测物还大那肯定无法”看“了）时，探测该物质就得换能量更加高的东西。比如使用高能的光子、高能的电子或是高能的质子。探测的相关问题，可移步 目前认识物质世界的最大困难是什么？ - One Two的回答，这里不做过多说明了。进行小尺度的观测，探测细胞，我们可以用显微镜；探测分子原子，我们只能用STM或TEM；而探测更小尺度的粒子，我们已经失去了任何“直观”的”显像“办法，只能采用加速器进行对撞。
"
电子的惯性质量随其运动速度的增加而变大：用电磁场使运动电子的运动轨迹偏转，测量其偏转的大小；结果表明，只有把电子的荷质比（电荷与惯性质量之比）看成是速度的函数才能解释测量值；其它的实验分析显示电子的电荷与速度无关，因而得出惯性质量与速度有关的结论。这与牛顿力学中的“惯性质量是常数”的结论相抵触
5. 伽利略相对性原理
伽利略相对性原理是说：力学定律在一切惯性系中均有效。这个原理表明，利用力学的方法不可能观测到绝对运动。牛顿力学第二定律在惯性系
中写成：
（其中
是力，
是物体的加速度，
是物体的惯性质量）。相对性原理是说，在
系中方程式具有相同的形式：
（其中带“
”的量是 系中的相应观测量）。更具体地说，经过伽利略变换后变成了，反之亦然。这个原理也显示：物体的惯性质量是个与运动速度无关的常数。另外，牛顿万有引力定律也满足伽利略相对性原理。
中写成：（其中是力，是物体的加速度，是物体的惯性质量）。相对性原理是说，在系中方程式具有相同的形式：（其中带“”的量是 系中的相应观测量）。更具体地说，经过伽利略变换后变成了，反之亦然。这个原理也显示：物体的惯性质量是个与运动速度无关的常数。另外，牛顿万有引力定律也满足伽利略相对性原理。http://www.itp.ac.cn/~yzhang/
[DOC]5、关于相对论中的质量和动量.doc
www.sciencepub.net/.../5、关于相对论中的质量和动量.d...
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
关于相对论中的质量和动量_百度文库
wenku.baidu.com/view/b04bdc0a79563c1ec5da71f5
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
THE THEORY OF SYSTEM RELATIVITY: - 第 103 頁 - Google 圖書結果
https://books.google.com.hk/books?isbn=1936040808 - 轉為繁體網頁
Liu Taixiang - 2013 - Science
有质量的物质主要是由质子、中子、电子等粒子组成的,因此要讨论质量的起源,归根 ... 面电荷分布的运动电子的电磁动量,由此得到电子的横质量 mT 与纵质量 mL .洛伦兹纵、横质量的启示_志杰海明_新浪博客
blog.sina.com.cn/s/blog_49905be30100hfzk.html
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
大学物理教程: - 第 180 頁 - Google 圖書結果
https://books.google.com.hk/books?isbn=7302114080 - 轉為繁體網頁
2005
... 9 电子反鼻甘真桑的变化由图 11 · 9 还可看出,当速率 U 很大时,质量 m 随 U 急剧增大,这时对粒其中甘代表粒子的速度,比例系数们仍认为是粒子的质量。并且,仍把 ...吴大猷的《相对论》中与事实不符合的理论（之四十一） - 国科论坛
bbs.tech110.net › 成果交流
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
2015年1月4日 - 1 篇文章
纵质量=μ/(√(1-(v/V)^2 ))^3 , 横质量= μ/(1-(v/V)^2 ) 。 当然，用另一种力和加速度的定义，我们就会得到另外的质量数值。由此可见，在比较电子运动 ...二，对狭义相对论的一系列结论的整合。 - 王敬鲁的博客- 国科 ...
blog.tech110.net › 王敬鲁的博客 › 日志
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
电工电子实训教程 - 第 213 頁 - Google 圖書結果
https://books.google.com.hk/books?isbn=7302094772 - 轉為繁體網頁
2004
锡铅焊料目前在电子通信及计算机产业广泛使用。但是,由于铅足有毒物质, · · ·些 ... C 。由于锡铅组成的质量比不同,其熔点是在变化的。例如,含锡 20 %、铅 80 %的 ...再评欧洲OPERA中微子超光速实验
www.ldneng.com/ldn030106.htm
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
原子核有一些独特的性质，除去物理模型（渐进自由），我们在实验上，发现很难“打开”它。举个例子，他好比一个坚硬的“闹钟”，我们可以在外面听到它的”声音“（核反应），看到他的表针走动和磨损（原子衰变），但却很难看到它里面的结构。原子核内部的“粒子”似乎有极大的束缚能，把它们束缚在一起，“常态”下的任何办法都只是，一个闹钟变成两个小闹钟，或是一个大闹钟变成一个中闹钟同时放出很多“声音”。那么只有一个办法看到里面的结构，那就是撞碎他，然后从一堆的零散的零件和零件组合中，去摸索闹钟的构成。
这是个非常艰苦的工作。结合提主的问题，我们在诸如LEPII或是TeVTron或是LHC对撞机实验中，真的“看到”粒子了吗？没有，我们只是“间接探测”到了粒子，而这个粒子甚至是我们用模型“定义”的。那么有人就会问，什么？你们自己定义的？你们怎么区分这些粒子？又怎么保证这些粒子是“新”的而不是你们自己瞎搞搞的？要回答这些问题，我们先得去看看，在对撞机里发生了什么。
还是以LHC为例吧。大家知道的，LHC里有两个大的小组，CMS和Atlas，其实这两个小组只是对应LHC两端的两个探测器，每个探测器有一个对撞中心。LHC中间很长的一段都是用来做粒子加速的，目的是我上面提到的，用更高能量的物理探测更加微小的物质。那么，探测器里探测什么东西？比如，我们在LHC里把两个高能质子撞碎了，或是说我们把两个闹钟撞碎了，我们看什么？其实原理很简单。高中的洛伦磁力大家都学过吧，带电粒子会在磁场中偏转，我们确定某个粒子的性质，就是按这个原理。什么？就这么简单？是的，就这么简单。CMS和Atlas里面主要的东西，就是一个巨大的垂直磁场。但是，不幸的是，对撞机里，大部分的粒子都不稳定，他们会发生衰变，我们在对撞机能观测的“末态粒子”少的可怜，只有电子、光子、部分亚稳态强子，mu子、质子等。越不稳定的粒子，其寿命越短，能在探测器中行进的距离越短，大部分不稳定粒子甚至在对撞点刚产生就衰变掉了。而稍稳定的末态粒子，其性质早在很久之前就被人们熟知，这些粒子是被基本的模型中“公认”的，已经在实验上经受了无数检验，因此并没有”发现“一说，我们对他们只是“测量”。我们测量的办法，就是前面提到的洛伦磁力，先用偏转方向确定粒子种类，然后用偏转半径或能量储存器测定其能动量。那对很多不稳定粒子来说，就未必了。
要说明探测不稳定粒子的办法，我们先要看对撞机里发生的物理过程。首先，两个质子互相碰撞，发生所谓的“硬散射过程”（Hard Process），就是质子内部结构的夸克或胶子互相对撞，这个硬散射过程能量极高，可能会产生我们“未知”的粒子，也可能只是产生一些我们熟知的粒子。这个先不谈。硬散射过程发生后，不稳定粒子马上发生了衰变（Decay），衰变可能又会产生不稳定粒子，它们会继续衰变，这就是衰变过程和次级衰变过程。然后，因为夸克胶子的不稳定性质，它们会发生强子化过程（Hadronlization），产生新的不稳定强子质子啊中子啊pi介子啊之类。有些强子不稳定啊，它们会发生强子衰变（Hadron Decay），最终产生一堆的光子电子质子mu子等我们熟知的稳态或亚稳态粒子（亚稳态的意思是长期看还是会衰变，但在探测器尺度内是稳定的）。
说到这里肯定会有人问两个问题：第一，你怎么知道质子里面是夸克胶子？即使是，我怎么知道每个过程是哪个夸克跟哪个胶子撞？第二，你说的这些杂七杂八过程，好像都是你自己模型说说的，有什么依据？第一个问题，质子内部结构研究，之前做了好几十年了，他的性质（点粒子、渐进自由、强束缚）和模型早已清楚，在对撞机里我们只是运用这个结果而不是去探究他，毕竟这是初态过程。而哪次对撞到底什么跟什么撞，一般采用部分子分布函数，根据大数统计进行模拟本底，实际上我们不知道每次对撞到底发生了什么，但我在统计上知道什么对撞该发生几次。第二个问题，这些过程虽然都是按建模进行处理，但大多子过程都经过实验检验，否则建立量子场论和粒子物理标准模型就没有任何意义，标准模型也经历了几乎所有实验的检验，是可靠的。
所以我先回答提主的问题，胶子跟夸克怎么证明其存在？实际上在高能对撞里我们无法证明（他们的性质在低能对撞中已经探测明了，至于怎么探测，其实跟我们在高能中一样，先假设他们为未知粒子，然后通过末态分析得到，但在高能探测里，我们假设他们为我们熟知的“已知粒子”），我们只能证明其”性质“。上面说过，发生硬散射过程后，胶子、夸克因为强束缚，在能量到达Lanbda_QCD之后，他们就会发生束缚，进行强子化，从而产生一堆强子还有衰变粒子。实验上，我们不能确认某个硬过程末态是轻夸克还是胶子（重夸克除外，b夸克可以用b tagging办法部分识别，Top夸克因为太重了，性质完全不同于其他夸克），我们只能看到两个喷注（jets）。什么？什么是喷注？
这又要回到探测器了。LHC的探测器分为五部分：顶点探测器（Vertex Detector）、轨迹跟踪器（Silicon Tracer）、电磁储能器（Electromagnetic Calorimeter）、强子储能器（Hadron Calorimeter ）、mu子探测器（Muon Chambers）。不同粒子在五部分会发生不同的“效应”，从而可以进行甄别和测量。在上面说的，对撞点附近发生硬散射、衰变、强子化、强子衰变等过程后，粒子撞入探测器，因为能量和行进方向惯性极高（Large Boost），他们会由对撞点向四面发散。部分低能的带电粒子偏转了，但高能粒子还是往前走。虽然有很多次级反应，而且部分粒子带走了动量，但根据粒子惯性，大多次级反应的行进方向跟原硬散射过程中出射粒子的方向相同或相近，夸克和胶子会产生很多强子和次级强子还有光子电子一坨东西，他们沿着夸克胶子本来的行进方向，在电磁储能器和强子储能器里被减速，结果我们在探测器里就看到一束类似大喇叭型的前窄后宽的“喷注”，虽然电子和光子也会有其他反应，使得一堆粒子围绕在他们面前而不是看到只有“一个”，但因为强子化和强子衰变带走的纵向能量要远大于光子电子，损失的惯性很大，因此“喷注”的角向宽度要远大于电子光子质子之类，体现了其独特特性。
LHC在实验之后，都会记录一堆的“事例”，这些“事例”以所谓的标准Les houches accord 标准记录，其实就是一堆初态、末态粒子的能动量而已（质子对撞，初态粒子在单个事例中较为复杂，因为没去过实验室，我不清楚实验上是通过什么办法进行初态确认，可能还是通过末态能量反推初态概率加成计算，据我推测可能实验上的原始数据只有末态粒子信息而已，生成的LHA事例是数据分析后得到的）。接下来大量的工作不是实验而是数据分析了。数据分析的主要工作，是将这些末态粒子“反推”前面说的过程，并“重构”（Reconstruction）中间态粒子。重构粒子的办法一般通过“不变质量”进行。我们知道一个粒子衰变后，末态虽然带着动量，但如果从相对初态粒子的静止坐标系里看，末态粒子的能量和就是初态粒子的质量，因此我们在计算末态粒子不变质量时，会在末态粒子质量这里有个delta函数。但实际上，因为初态粒子是不稳定的，根据量子力学的原理，不稳定粒子会有一个”宽度“（半宽度的倒数即是其寿命），所以我们首先通过喷注、高能光子、高能电子、高能mu子，重构硬散射过程，然后通过硬散射过程的不变质量，做出不变质量-事例数的二维图，就会在某个粒子质量附近看到一个明显的峰，这个“峰”就是我们认为探测到的“粒子”。
比如双光子道探测Higgs粒子，我们使用没有Higgs粒子的模型，算一遍本底的的不变质量分布，然后使用有higgs的模型，算一遍信号的不变质量分布，然后做实验，根据实验数据进行数据分析，“重构”硬散射过程，然后用双光子的不变质量分布，验证是否有higgs，还是没有。
说起来就一句话，但里面的工作是非常非常艰苦的。为什么要用末态双光子道？因为强子对撞机里其背景很低但其实也不低，很多都不是树图阶的过程，算起来非常繁琐。这个背景在数据分析里非常关键。大部分higgs的衰变道，QCD的背景（不用管这是什么，你可以把它看成是噪音）都把信号淹没的一塌糊涂，这就好比，你用一个水泥塔测量水位，只有水泥塔最高刻度在水位之上，我们可以看到真实的水位，如果水都淹没了水泥塔，甚至水位比水泥塔最大示数搞了几个数量级，虽然水泥塔还在，我们却看不到。“算一遍本底”，这句话好像很简单，但真要计算是非常复杂的，这里面的本底来源五花八门，在精确模拟中，甚至要模拟探测器的误判，比如三个光子探测成两个这种。“重构”硬散射过程？这个更加难了。这就好比在一堆10MM的细针中挑出两个9.9MM的针。有些硬散射过程，末态粒子的能动量并非最高，次级过程的能量可能会超过“硬过程”，更何况在探测器里，光子这种粒子再常见不过。
这里我们可以得到结论：我们首先有熟知的粒子和过程，然后用他们去探测“新粒子”，而我们无法"看到"这个所谓的新粒子，我们只是知道一旦有这个粒子，将在实验上看到有不同于本底的信号，这些粒子都是理论和实验自洽的结果。当我们熟悉这个“新粒子”属性，我们知道了它的质量、宽度、自旋等等后，我们在模型中加入这个粒子，又去模拟和实验下一个“新粒子”的探测，周而复始，构建了现在粒子物理的标准模型和实验框架。当然有人说既然“看不到”，那我可以自建一套理论体系说明实验，可以有不同的模型进行“粒子描述”？可以，只要你有这个本事，能解释所有的现有实验。只能说，我们现在的模型不是最完美的，但是却是最“可用”的。
最后还是忍不住放个图作个结尾吧。
【灌汤包烧卖的回答(16票)】:
举个最近的栗子权作补充。
纵轴标的是观察到一对光子的事件数目。纵轴标的是观察到一对光子的事件数目。
好像在
时，双光子的产额微妙地增多了么，发生啥了呢？
发生了这个过程：
。这个
就是要找的新粒子：西格斯。
那
是啥呢？假设光子一号的动量是(E1,p1)，二号动量(E2,p2)，那
是为新粒子的静质量。
嗯，所谓的“看到”就是那么个包。
唉？你说要是这个包是AI造假忽悠人们的咋办？这个世界好可怕……
参考：
http://www.slac.stanford.edu/~mpeskin/BeyondtheHiggs2014.pdf
【MingleiXiao的回答(16票)】:
不是做实验的，抛个砖。
早期使用的是云室之类的东西，带电粒子在磁场中转圈，云室可以捕捉轨迹，然后可以算出荷质比。不同荷质比对应不同粒子。但是这个方法对反应截面也有一定要求，而且一般来说必须带电。
基本粒子谱中除了最轻的几个粒子其它的都会衰变，有一些半衰期长一些可以可以到达探测器，叫亚稳定粒子；大部分半衰期很短在产生后的一瞬间就衰变了，叫不稳定粒子。
对于亚稳定粒子，我们直接用类似原来云室的方法，探测它在一些介质中运动所生成的轨迹。其中也有无法探测的，比如中微子，既不带电又不和通常物质发生作用（强度很低），则被称为“消失的能量”（missing energy），我不清楚它是怎样被“证实”的，只知道它是作为鬼混一般的missing energy被提出的，我相信现在有一些特殊的实验可以直接探测它（尽管相互作用强度低，只要数量多，还是会有些信号的）。
对于不稳定粒子，由于它们根本到不了探测器，所以只能靠运动学的计算来得到。最常用的方法是不变质量（invariant mass），即这种粒子的所有衰变产物的总能量和总动量肯定满足它的质能关系。这就要求我们的探测器总够灵敏，可以识别一次衰变的所有产物，并探测其能量动量。如果某些粒子的总能动量在质量谱上有个尖峰，就说明这一次反应中这几个粒子是从一个确定质量的重粒子衰变而来的。进而通过这个衰变的守恒律，得到这个重粒子的各种性质（各种量子数）。
当然，这里就有许多可能的问题，首先就是探测器精度，其次是是否能捕捉到所有产物（比如中微子就捕捉不到，这种情况下就要用更复杂的运动学技巧比如MT2），还有个关键就是降噪。
【卡门狂热的回答(12票)】:
补充下，粒子的＂发现＂在目前主要是通过统计学分析得出的结论，已经不是之前云室里观察到特殊的轨迹就可以发现新的粒子的情况，也不是想象中发现实体的样子．
先上图：
上图是目前最常用的高能量对撞机的探测器结构示意图，只代表探测器的组成和前后顺序，不代表尺度和结构．如图，其实我们在对撞机实验中能够直接探测到的粒子只有光子，电子，muon，轻的夸克／jet／强子等．要发现W，Z等玻色子，top quark等重的寿命很短的费米子乃至Higgs Boson，只有通过对电子，muon，jet等它们衰变末态重新＂组装＂成不变质量，反冲质量等，再反推回去寻找．其间排除本底干扰，提高信噪比等工作是很艰辛的．
粒子物理实验中，要达到可以宣布为＂发现＂的程度的话，要求数据所观测到的结果偏离不存在该粒子理论结果达到５sigma的置信度．上图是LHC上Atlas实验得到的数据，看到质量在125GeV local p value超过了５倍sigma, 即保证99.99994%可能性是该粒子存在的，0.00006％可能性是实验误差，因此才可以宣布＂发现＂了Higgs Boson。其实Higgs在Tevetron上和LHC运行的过程中已经有存在迹象了，只是由于数据量不够无法积攒到５sigma的数据因此不能认为是＂发现＂．
图片来源：
http://www.atlas.ch/news/images/stories/4-plot.jpg
http://http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/keyhole/en/main/JumpToExercises.html
【钟德亮的回答(2票)】:
这种题，可以开好几门课了
【袁本初的回答(70票)】:
这是个不错的问题，题主虽然谦虚地自称外行，但提问思路比较清晰，比很多提问得不知所云的真外行强多了。当年我还是外行中的外行时问题比这更多，一点一点地学过来了终于懂一些了。这个问题问着简单但完整回答需要很大规模。上面One Two答得很好，我用苛刻的态度读了两遍没找出什么错误，点一个赞同不过瘾又再追加个感谢。但是他只答了大型对撞机这一方面，还有不少补丁可以打；我尽量把补丁都打完，根据情况一次性写好或者用连载，这段是前言。
正式回答问题前我先要提到，粒子的探测与物理过程的能量标度关系密切，这个能量标度可以理解为一个物理过程的典型能量动量转移大小。用扫描隧道显微镜可以观察的极限是分子原子尺度，再小的尺寸（对应更高的能量标度）就需要在加速器上利用加速后的电子或质子之类作为探针，对靶进行轰击或两束粒子对撞。越到微观，不确定关系的影响就越显著，所以针对一个能量标度上的物理进行测量，需要利用更高能量的初态入射粒子。当然宇宙射线等非加速器实验也给了我们一个偶然的机会去发现许多新粒子，不一定要等到加速器上发现。这个回答里主要按照时间顺序，以能量标度作为主线，关注原理和历史上重要实验，宇宙线等支线的问题随时进来插播。
首先插播几个早期的发现作为序幕。我们现在都知道原子由电子和原子核构成，而原子核一般是由质子和中子组成。电子是1897年Thomson研究阴极射线的时候完成的，它的质量约0.5MeV并且是稳定粒子。1911年的Rutherford实验证实了原子大部分是空的，其质量集中在很小的核心中。八年后Rutherford又成功实现了人工核反应，并从产物中发现了质子。1932年Chadwick又在人工核反应中发现了中子。以上这些小故事应该在中学教科书里出现过，核反应的能量标度大约在MeV的量级上。在中子发现前还有一点插曲，之前β衰变中发现电子能谱是连续分布的，如果假设能量守恒依然成立，就意味着有一个不可见的粒子被释放出来了。Pauli称之为中微子，由于这个家伙与普通物质的相互作用很弱，对它的探测是后话。
下一段还是插播。你说为什么我一直在插播？因为三十年代到五十年代这段加速器进展缓慢，所以暂时还没有进入主线，而针对宇宙线的观测不断给出新的信息。现在对撞机中使用的洋葱式探测器那个时候还没被发明，就算发明了也没法使用，早期的云室以及后来出现的气泡室是粒子探测的主要设备。这两种东西原理上不复杂，都是以显示粒子径迹为目标，可以推测荷质比，对于不稳定粒子还可以观察到其衰变产物并由许多事例估计寿命。宇宙线粒子射进云室可以留下径迹，这样人类就可以从宇宙线中识别出一些新粒子。这里比较重要的包括1932年发现的正电子，这是第一例反物质粒子，证明理论预言中费米子的电荷共轭态确实存在；1936年发现的μ子质量是电子的两百多倍，是第二代轻子，当初一度被误以为是核力的媒介，但因为它不参与强作用而被否决；还有1947年发现的带电π介子、K介子等等。
我们现在知道QCD相互作用有一个内禀标度
，耦合在这里变得非常强从而带来禁闭的效应，所以人们观察到的是复杂的强子谱，直到后来有更高的能量可以将强子也打碎。值得注意的一点，上面一段我们没有提到中性π介子。理论上预期它会衰变为两个高能光子，1949年开始的一系列加速器实验观察到反常的光子分布提示一个中性π介子，而带电π介子对质子的轰击可以直接产生中性π介子，并且测量出其质量。高能光子的探测主要是利用光子与探测介质发生电磁相互作用中产生的簇射，能量远大于1MeV的光子打到介质上会产生大量正负电子对。哦到这里开始进入主线了，今后加速器将要起到越来越重要的作用。多说一句，实验室有条件大量制造π介子了，人类们就考虑到建造π介子工厂，产生大量的π介子用于研究其性质，这个思路沿用到后来发现的许多新粒子。
刚刚进入主线就又要插播一节了。之前不是说到了中微子，对中微子的直接探测始于50年代。核反应堆可以作为一个大流量的中微子来源，但中微子参与的相互作用实在太弱。1956年萨凡纳河反应堆处终于观察到了中微子事例，他们利用了反中微子与质子散射放出的正电子，它与电子湮灭的信号被闪烁体捕捉到。六年后利用类似反应释放的μ子，人们确认了第二种中微子。
回来主线，加速器技术一开启就一发不可收拾，其中1955年的质子散射中发现了反质子，1956年刚不久的反质子作为初态与质子散射获得了反中子。另一方面，配合气泡室，陆续有大量新的共振态被发现。对于散射信息的分析方法大致有两大类——例如π介子与核子散射实验中，调节散射的能量会在许多特定位置发现截面变得很大，每个位置对应的就是一个s道共振峰，这个方法在之后初态能量可控的对撞机上很常用，无论是寻找新粒子还是专注于研究性质；另一种方法是在许多末态粒子中寻找特定末态的不变质量分布，不变质量的定义上面许多回答都提到过了，明显高出本底的峰则意味着产生了一个共振态，这个方法后来在对撞机上用得非常广泛。这里可以举例子，1961年利用末态两π介子的不变质量分布发现了ρ介子，它的质量大约770MeV而宽度达150MeV。在这个能量区虽然也涉及从本底中抽取信号的问题，但毕竟背景相对简单，不像后来的高能对撞机那么费劲。这里插一句长寿命K介子的发现，也是1956年。实际上发现长寿命K介子没有采用新的探测技术，就是简单的加速器加云室，但是这个家伙的发现意味着介子混合的测量拉开序幕。
下面开始的内容非常重要。早在1933年质子磁矩的测量就提示它不是一个点粒子，若干年后中子磁矩的测量也给出同样的结论。1955年McAllister和Hofstadter利用能量约0.2GeV的电子束与核子进行弹性散射实验，按照上文的估计，这意味着探测精度可以在1fm左右。在这样的精度上，他们发现了微分截面的行为明显偏离核子是点粒子的假设，这证实了核子是存在内部结构的。但是这个能量也刚刚达到QCD的标度，要想进一步探测核子的内部结构，还需要能量更高的电子束。从六十年代后期开始，斯坦福线性加速器中心（SLAC）开始进行能量超过20GeV的电子束与质子靶散射实验，这样高能量的电子与质子发生的散射过程动量转移可以达到若干GeV，这足以激发核子的内部自由度。在深度非弹性散射实验之前，夸克模型早已存在并且能够用于理解复杂的强子谱，但许多人不认为夸克可以代表物理实体。深度非弹性散射实验中发现单举（inclusive）截面中得到的形状因子对动量转移的依赖很弱，和偶极形状因子有巨大的差异，偶极形状因子在大动量转移区域是按照
的行为下降的。另一方面，形状因子与一些运动学变量的简单组合表现出无标度行为超出了当时的认知，而假设质子由一些关联很弱的点粒子组成则可以很好地解释这个无标度行为，Feynman将这些点粒子称为部分子，这就得到了部分子模型的前身。这是一个意外的巧合，更多的实验表明这个标度无关的行为只在特定条件才是成立的，但这个意外对后续的理论和实验进展都产生巨大影响。此外后续的实验发现夸克完全符合实验要求的部分子性质，这是对夸克模型的肯定，虽然不能观察到自由的夸克，但是分析与核子散射后的末态电子分布，相当于窥探到了核子的内部，或者用个噱头说「看见夸克」。不过实际上这个说法可能很难让人接受，毕竟没看到就是没看到，我怎么能说看到了？但是越远离日常生活，粒子就越难被人类的感官直接认识，后续的更多粒子都是通过类似的方式即相互作用来「看」，甚至更抽象地连这个相互作用都求之不得，只能去抓捕它留在世界上的遗迹。Friedman、Kendall还有Taylor因为深度非弹性散射实验的工作获得1990年的炸药奖，他们显然是当之无愧，关于这段历史具体可以看他们当时的演讲，发表在1991年的Rev. Mod. Phys.上。这个工作不但窥探到核子的内部，利用后续的更多实验拟合出的部分子分布函数（PDF）还是现在强子对撞机的数据能够被分析的基础，因为高能强子对撞的背景非常复杂，只有准确地理解背景才有机会从中抽出隐蔽的信号来，其重要性不言而喻。
下面的事情开始和对撞机有关了，包括更多味夸克的发现，以及QCD相互作用要求的胶子。原来的实验多是加速器配合固定靶，但如果将靶也加速起来与探针对撞，要达到同样的动量转移所需的加速能量就小多了。第四味夸克c的第一个实验证据是1974年发现的c偶素，是一个质量大约3.1GeV的狭窄共振峰，被叫做J/ψ粒子。这两个独立的测量分别使用了上文提到的两类方法——调整正负电子的能量寻找截面反常增高的位置；以及用质子与铍散射并分析末态正负电子的不变质量分布，来寻找共振峰。1977年，费米实验室上质子与重原子的散射实验中，Lederm在分析一对正负μ子的不变质量时发现了一个窄共振峰，质量大约9.5GeV，是b夸克偶素。1975年起，正负电子对撞机开始观察到喷注现象并对它进行研究，喷注是夸克强子化的过程中产生的。这里面值得注意的是三喷注的事例，因为在电子对撞机上夸克一定是成对出现的，而三喷注的现象意味着有一个喷注是轫致辐射的胶子带来的。1979年，德国电子同步加速器（Desy）的正负电子对撞机上首次观察到了三喷注事例，这是胶子存在的证据。到这一步发现的夸克与胶子都是以强子的形式存在的，可以估计强子化的特征时间大约在
，非色单态的粒子只有寿命比这更短才能够摆脱强子化的过程。多年后才发现的t夸克因为质量比W大很多所以衰变宽度很大，可以单独存在而不是以强子的形式出现，这是后话了。顺路插一段，第三代轻子τ是1975年在SLAC上通过成对产生发现的，它是唯一可以衰变到强子的轻子，在后来的对撞机上它的判定比较困难。
这一段我要讲W和Z粒子，它们被电弱理论要求，并且他们的质量分别被估计为80GeV和90GeV左右，这个估计利用了低能弱作用的强度和电弱混合角的测量。在质量大致清楚的情况下，寻找这两种粒子设计的实验有很强的针对性。欧洲核子中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）上在1983年以质心系能量
的质子反质子对撞实验中先后发现了W和Z粒子。对于W粒子，实验利用了它的全轻衰变，末态为一个电子和一个中微子。电子的探测很简单，但中微子与探测器的作用非常微弱，这意味着它的能量无法沉积到探测器中。参与硬散射的部分子只有小的横动量，而中微子可以有较大的横动量，这样的事例在对撞机上的表现就是丢失的横动量，即末态所有粒子的横动量相加有一个较大数值，一般取丢失横动量15GeV以上作为有效的事例进入下步分析。具体到W的产生，可以事先模拟出丢失横动量的分布，在
处事例分布达到峰值然后出现一个陡峭的下降，利用这个典型的信号可以判断W的存在并测量出它的质量。对Z的寻找道理上更简单，利用Z衰变到一对正负电子（或μ子）的末态。分析末态中这一对粒子的不变质量，找到的90GeV附近的峰即可。虽然W和Z主要还是衰变到夸克，但是这两个实验没有利用强子末态来寻找，因为强子对撞机上喷注背景非常复杂，轻子背景相对干净易分析。
在讲发现过程非常曲折的t夸克和Higgs粒子之前，先插一段现代对撞机的结构及其对于各种粒子的鉴别方法。这里大致分两类对撞机，一类是低能对撞机，一般用正负电子为初态，质心系能量一般在若干个GeV到10GeV的范围，特点是亮度非常大，末态粒子能量在1GeV左右或更高，介子工厂一般属于这一类，典型例子如日本KEK的B介子工厂；另一类是高能对撞机，可以是正负电子初态也可以是正反质子（或都是质子）初态，设计目标可以是发现更高标度的物理也可以是对粒子性质的精确测量，质心系能量对于电子对撞机一般在100GeV以上，而强子对撞机可达到若干TeV，这是因为加速质子的难度比加速电子更低，探测器搜集的末态粒子能量在数十GeV或更高，这类对撞机典型例子如CERN已经关闭的大型电子正电子对撞机（LEP）和正在运行的大型强子对撞机（LHC）等。现代对撞机的探测器直接搜集的是末态粒子的能量沉积，这两类对撞机粒子的鉴别有一定差别，来源就是末态粒子典型能量的差异。
【2b青年的回答(5票)】:
不邀而来。
被题目击中了，我是做高能实验的，具体是 LHC 上的 ATLAS 实验，这个问题问得一发入魂。不过要想讲得很清楚，得花差不多三章博士论文的篇幅。
所以，先占坑……忙完手头的事后来慢慢填。
【崔子同的回答(4票)】:
基本粒子的确证是个浩大的工程，是数代人的实验与思辨，是几千年的知识总结。当年玻尔兹曼与反对原子存在的人进行了数十年的大论战，最后也未能说服反对派们相信原子的存在，他也因此而自杀。而原子真的存在吗？现在大家以为是常识的东西在当年远远不是那么显然的。以下是电子的发现确认的最后几步的详述，这样由点代面可以理解其他粒子的确证过程。
附：电子的发现
电子是人们最早发现的带有单位负电荷的一种基本粒子。英国物理学家汤姆逊是第一个用实验证明电子存在的人，时间是1897年。
汤姆逊是一位很有成就的物理学家，他28岁就成了英国皇家学会会员，并且担任了有名的卡文迪许实验室主任。
X射线的发现，特别是它可以穿透生物组织而显示其骨骼影像的能力，给予英国卡文迪许实验室的研究人员以极大激励。汤姆逊倾向于克鲁克斯的观点，认为它是一种带电的原子。
导致X射线产生的阴极射线究竟是什么？德国和英国物理学家之间出现了激烈的争论。德国物理学家赫兹于1892年宣称阴极射线不可能是粒子，而只能是一种以太波。所有德国物理学家也附和这个观点，但以克鲁克斯为代表的英国物理学家却坚持认为阴极射线是一种带电的粒子流，思路极为敏捷的汤姆逊立即投身到这场事关阴极射线性质的争论之中。
1895年，法国年轻的物理学家佩兰在他的博士论文中，谈到了测定阴极射线电量的实验。他使阴级射线经过一个小孔进入阴极内的空间，并打到收集电荷的法拉第筒上，静电计显示出带负电；当将阴极射线管放到磁极之间时，阴极射线则发生偏转而不能进入小孔，集电器上的电性立即消失，从而证明电荷正是由阴极射线携带的。佩兰通过他的实验结果明确表示支持阴极射线是带负电的粒子流这一观点，但当时他认为这种粒子是气体离子。对此，坚持阴极射线是以太波的德国物理学家立即反驳，认为即使从阴极射线发出了带负电的粒子，但它同阴极射线路径一致的证据并不充分，所以静电计所显示的电荷不一定是阴极射线传入的。
对于佩兰的实验，汤姆逊也认为给以太说留下了空子，为此，他专门设计了一个巧妙的实验装置，重做佩兰实验。他将两个有隙缝的同轴圆筒置于一个与放电管连接的玻璃泡中；从阴极A出来的阴极射线通过管颈金属塞的隙缝进入该泡；金属塞与阴极B连接。这样，阴极射线除非被磁体偏转，不会落到圆筒上。外圆筒接地，内圆筒连接验电器。当阴极射线不落在隙缝时，送至验电器的电荷就是很小的；当阴极射线被磁场偏转落在隙缝时，则有大量的电荷送至验电器。电荷的数量令人惊奇：有时在一秒钟内通过隙缝的负电荷，足能将1.5微法电容的电势改变20伏特。如果阴极射线被磁场偏转很多，以至超出圆筒的隙缝，则进入圆筒的电荷又将它的数值降到仅有射中目标时的很小一部分。所以，这个实验表明，不管怎样用磁场去扭曲和偏转阴极射线，带负电的粒子又是与阴极射线有着密不可分的联系的。这个实验证明了阴极射线和带负电的粒子在磁场作用下遵循同样路径，由此证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，从而结束了这场争论，也为电子的发现奠定了基础。
如何成功地使阴极射线在电场作用下发生偏转？早在1893年，赫兹曾做过这种尝试，但失败了。汤姆逊认为，赫兹的失败，主要在于真空度不够高，引起残余气体的电离，静电场建立不起来所致。于是汤姆逊采用阴极射线管装置，通过提高放电管的真空度而取得了成功。通过这个实验和提高放电管真空度，汤姆逊不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转，而且还使它在电场中发生了偏转，由此进一步证实了阴极射线是带负电的粒子流的结论。
这种带负电的粒子究竟是原子、分子，还是更小的物质微粒呢？这个问题引起了汤姆逊的深思。为了搞清这一点，他运用实验去测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，也就是荷质比，从而找到了问题的答案。
汤姆逊发现，无论改变放电管中气体的成分，还是改变阴极材料，阴极射线粒子的荷质比都不变。这表明来自各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的，因此这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，汤姆逊当时把它叫做“微粒”，后来改称“电子”。
至此可以说汤姆逊已发现了一种比原子小的 粒子，但是这种粒子的荷质比107约是氢离子荷质比104的1000倍。这里有两种可能，可能电荷e很大，也可能质量m很小。要想确证这个结论，必须寻找更直接的证据。
1898年，汤姆逊安排他的研究生汤森德和威尔逊进行测量e值的实验，随即他自己也亲自参与了这项工作。他们运用云雾法测定阴极射线粒子的电荷同电解中氢离子所带的电荷是同一数量级，从而直接证明了阴极射线粒子的质量只是氢离子的0.1%
参考文献：http://zhjyx.hfjy.net.cn/Resource/Book/Edu/SZJY/TS007062/0002_ts007062.htm
【钻石之光的回答(1票)】:
我个人有时候觉得，任何一个实物，都是能量的无限叠加，甚至是几个宇宙的能量时光逆流的重合导致；把大化小，总是没有尽头，仪器不可能发到无限制分析，最后我们可能只能用存在这两个字来描述物质。从长或者一瞬间来看，人类的思想毕是工具，而非目的，微小粒子的状态，可能更接近宇宙的本质。粒子会消失，大小你看不看，它有或者没有，都是很随机的，但只要存在，随机也是有规律的。
【知乎用户的回答(0票)】:
各种粒子的发现，就是在理论猜测，实验间接验证的反复循环之中逐步确认的，直白点就是一批人每天思考分析做猜测方向，然后同一批或另一批人每天做实验验证是否能证实，就是在猜与测之间反复循环
【周小林的回答(0票)】:
通过现实物质的变化来实现？
原文地址:知乎
這是 http://staff.ustc.edu.cn/~sunday/detector/0%D0%F7%C2%DB.ppt 的 HTML 檔。
G o o g l e 在網路漫遊時會自動將檔案轉換成 HTML 網頁。
G o o g l e 在網路漫遊時會自動將檔案轉換成 HTML 網頁。
粒子探测技术
主讲：孙勇杰 电话：3607940
辅导老师：陈炼、高昕；钱浩、鲍弋（东区）胡坤、张志永；霍鹏（西区）
课件下载地址：http://staff.ustc.edu.cn/~sunday/detector/
近代物理系楼410
2011年9月
联系方式- 孙勇杰：
- 电话：3607940 ，13956004132
- email：sunday@ustc.edu.cn
- 陈炼（13705605783）
- 高昕（13721059522）
- 胡坤（15055700568）
- 张志永（18949895439）zhzhy@mail.ustc.edu.cn
- 钱浩（13655603093）hqian36@mail.ustc.edu.cn
- 鲍弋（13856015039）cqbaoyi@mail.ustc.edu.cn
- 霍鹏（15156877980）penghuo@mail.ustc.edu.cn
2
3
本课主要内容与特点内容：
- 以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探测器的基本概念和基础知识，包括：微观粒子与物质的相互作用和它们的探测原理，粒子探测中的统计规律和实验数据的审查。
- 介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器、切伦科夫探测器、穿越辐射探测器、粒子探测系统等的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应用。
- 技术性强、实践性强
- 理论与实验结合
4
学习目的和意义- 培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。
- 了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基本规律，会使用各种探测器。
- 掌握粒子测试系统的原理及组建。
- 会设计研发新的粒子探测器。
5
学习方法和基本要求
学习方法：
理论联系实际，认真听课，独立完成作业，认真做好实验。
基本要求：
- 掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质相互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。
- 根据实验要求，会选择粒子探测器。
- 确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并给出探测系统原理方框图。
6
评分标准和要求- 平时占30% ，根据作业、堂上练习、堂上提问、讨论、小论文等综合给分。作业每次留，一周交一次。周一上课交。
- 期末考试占70%。
7
主要参考书及有关学术刊物- 《粒子探测技术》徐克尊等 编
- 《粒子物理实验方法》有关章节，唐孝威院士等编著
- Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
- Annual Review of Nuclear Science
- IEEE Transactions Nuclear Science
- 中国物理C（高能物理与核物理）
- 核技术
- 核电子学与探测技术
8
绪 论
- 宏观物质与微观粒子（无穷大到无穷小）从1026m到10-18m
- 物质的基本结构：由原子到夸克
- 夸克和轻子是物质的最基本组成
一、世界是物质的
9
宇宙起源与演化
生命起源及其本质
粒子物理与宇宙学：
联合与交叉
同步辐射与中子散射:
提供关键的研究手段
物质基本结构
21世纪自然科学研究的三个最重要前沿
物质科学是一切现代科学的基础
10
Electroweak forceElectromagnetic force
QED
Weak force
Standardmodel
Strong force
QCD
Gravitation force
general relaticivity
Galaxy
1021 m
Matter
10-1 m
Crystal
10-9 m
Atom
10-10 m
Atom
nucleus
10-14 m
Electron
Nucleon
10-15 m
<10-18 m
Quark
DNA
10-8 m
Structure of Matter
11
1.寻找构成物质世界的基本元素- 物质无限可分？
- 哲学命题与科学问题的区别
- 同样的问题, 近似的理论
- 哲学命题: 思辩
- 科学问题: 定量(数学), 实验
- 粒子物理标准模型: 一种能定量描述与解释所有实验现象的理论
- 类似于元素周期表：夸克模型
12
Standard Model
The Standard Model is the theory describing
the interactions (strong, electromagnetic and weak)
among elementary particles
Elementary particles come in two varieties
Fermions (quarks & leptons) and Gauge Bosons
The electroweak symmetry requires particles to
be massless must be broken
SM is a gauge theory with symmetry groups
SU(3)CSU(2)LU(1)Y
01
Qe
increasing in mass
13
- 物质之间已知的相互作用
- 引力相互作用
- 电磁相互作用
- 弱相互作用
- 强相互作用
- 相互作用的传播
- 所有的相互作用均通过传播子以光速传播
- 引力: 质量, 引力子(?)
- 电磁力: 电荷, 光子
长程力，与作用距离平方成反比
宏观（经典）作用力
短程力，描述微观物理、核物理、
粒子物理现象，微观(量子)作用力
2. 物质之间的相互作用
14
二、粒子探测技术随着核物理与粒子物理的发展而发展- 人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展
- 实验观测仪器和粒子探测器的发明和发展，使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道
15
客体尺度与观测手段
16
光学显微镜不能研究原子的内部结构 !!!
量子力学告诉我们粒子具有波动性，波具有粒子性
l = h/p=hc/pc=hc/E用电子显微镜
大型正负电子对撞机（LEP)曾是
世界上最大的电子显微镜
电子[10-15m]=1.24/E(GeV)
17
1590年发明显微镜，观察细菌、细胞1609年发明望远镜，观察天文（太阳、月亮、星星）
1895年伦琴发现X射线
1896年Becquerel发现射线
1897年J.J.Thomson 发现电子
1911年E.Rutherford和他的学生Geiger、Marsden发现粒子大角度散射
1919年E.Rutherford 发现质子
1919年F.Hess 气球实验 ,1925 年Millikan 称它作宇宙线
1932年J.Chadwick发现中子
原子核由质子和中子组成。质子,中子,电子组成了我们熟悉的物质世界。
1931-33年泡利，费米对原子核的 衰变谱的解释：中微子(1956年实验证实）
1932年Anderson发现正电子(e+)
1935年H.Yukawa 预言存在介子，M~1/7 Mp
1936年Anderson &Neddermeyer 在宇宙线中发现“介子”（ -轻子）
1947年5月：Powell等发现了介子
1947年12月：Rochester 在宇宙线实验中发现了V粒子（奇异粒子K）
1.一些重要历史事件
18
1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：
π，π0，K，K0 ，K0 ，Λ，，Ξ，Δ …约几百种。
有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。
问题：是不是这几百种粒子都是 “基本”的？
王淦昌发现反西格玛负超子
- 1963年, 根据大量的实验数据, 盖尔曼等猜测这
的公式
- 盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克 u,d,s
- 60年代中期,中国的
了层子模型。
介子由（qq）构成
重子由（qqq）构成
+ (ud )
质子 (uud)
19
- 建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
- 质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这样一个小空间范围
- 质子内部分布着大量的点电荷
- 定量分析表明,质子是由三个夸克组成
- 1974年——丁肇中，B. Richter 发现 J/ 粒子
→ charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV
J/Ψ 由(cc )构成。
- 1977年——L.Lederman 发现 ( 9.5GeV )
(9.5)由(bb )构成
- 1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t)
e
e
1895
discovery of X rays
Wilhelm Conrad Röntgen
1897
“discovery” of the electron
J.J. Thompson
Henri Becquerel (1852-1908)
1896:
Discovery of natural
radioactivity
Marie Curie Pierre Curie(1867 – 1934) (1859 – 1906)
1898
Discovery of polonium and radium
Thesis of Mme. Curie – 1904
α, β, γ in magnetic field
Hundred years ago
原子物理中涉及的粒子- 20世纪初的粒子观
- 电子
- 原子核:
- 质子(氢原子核)
- 中子
- 光子（电磁相互作用的传播子）
- Bohr, 1913 （1922年诺贝尔奖）
- Rutherford, 1919
氢原子核——称为质子，
- Chadwick, 1932（1935年诺贝尔奖）
1930年代初的基本粒子：
电 子 ， 质 子 ， 中 子 ; 光 子
作 用 力 ： 引 力 ， 电 磁 作 用 ， 弱 作 用 力 ， 核 力
Beyond Atomic Physics
24
实验技术的重大发明
1906: 盖革计数管, H. Geiger, E. Rutherford1911: 云室, C.T.R. Wilson 1927年诺贝尔奖
1928: Geiger-Müller Counter, W. Müller
1929: 符合方法, W. Bothe 1954年诺贝尔奖
1925-1932: 威尔孙云室改进（自动化,触发控制），P. Blackett, 1948年诺贝尔奖
1930'-1950': 核乳胶(IIford Ltd. Kodak Ltd.),核碎裂， M. Blau
1930: 回旋加速器, E. Lawrence 1939年诺贝尔奖
1930: 高压倍加器，J. Cockcroft, E. Walton 1951年诺贝尔奖
1940-1950: Scintillator, Photomultiplier
1952: 气泡室, D. Glaser 1960年诺贝尔奖
1954-1962：发展氢气泡室及有关的数据分析技术，L. Alvarez, 1968年诺贝尔奖
1962: 火花室
1968: 多丝正比室, C. Charpak 1992年诺贝尔奖
1981: 随机冷却方法，强反质子束 V.D.Meers 1984年诺贝尔奖
25
Cloud ChamberWilson Cloud Chamber 1911
威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson），1894年起研究云雾中的光学现象。1895年，他设计了一套设备，使水蒸气冷凝来形成云雾。当时普遍认为，要使水蒸气凝结，每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊发现：潮湿而无尘的空气膨胀时出现水滴。他认为这可能是水蒸气以大气中导电离子为核心而凝聚的结果。用X-Ray 管辐照云室，发现水滴数大量增加，证明离子是‘凝结核’。
Wilson 1895 的云室
威尔逊为云室增设了拍摄径迹的高速照相设备，使它成为研究射线的重要仪器。
1931年，布莱克特对威尔逊云室作了重要改进，在宇宙线实验中用在云室上、下的盖革计数器来触发云室的膨胀和启动照明，拍照使每张得到的照片都包含宇宙线事例。
康普顿散射
1912 Victor Francis Hess 发现宇宙射线
(1936 Nobel Prize )
在不同海拔高度，研究宇宙线：它的组成，能量，......
- Occasionally energetic particle enters our atmosphere from outer space and triggers a chain of particle interactions.
- New particles are created and then most of them decay.
- Source of many important particle discoveries in 1930s-40s.
A small cosmic-ray shower of positive and negative electrons
宇宙线的照片，上面有正电子和负电子向相反方向弯曲。
Discovery of positrons
(antimatter)
1932年，安德森（Carl David Anderson）与内德梅耶（Seth Neddermeye）(antimatter)
将云室置入一个强磁场之中观察宇宙射线。宇宙射线进入云室后会留下轨迹，拍下轨迹的照片，即可用来进行分析。通过对1300张粒子轨迹照片的详细分析，发现有一种粒子的轨迹与当时已知的带电粒子的轨迹不一样。根据轨迹偏转的方向，可以判断这种粒子的电荷是正的，又根据轨迹曲率的大小，可推知这种粒子要比质子轻得多，且与电子的质量近乎相等。
Magnetic field 15000 Gauss,
chamber diameter 15cm.
A 63 MeV positron passes through a 6mm lead plate,
leaving the plate with energy 23MeV.
Discovery of muon (m)
(particle generations)
1937Physics Review V.50 No.4, C.Anderson and S.Neddermayer (particle generations)
在宇宙线中发现穿透本领大的粒子，按照粒子的动量及电离能力的计算，这种粒子不是质子而又比电子重。
Phys. Rev. V.52, J. Street and E. Stevenson
由径迹电离密度等估计粒子质量~130 me
进一步的研究表明这种粒子即使在云室中穿过多层金属板也没有观察到相互作用，不是强相互作用粒子。
进一步研究；m 衰变到电子和两个中微子 ，弱作用粒子
1935, Yukawa 由核力的短程性提出核力是由一种质量约为1/7 mp的量子传递的。
Muon 是第二代轻子
32
Nuclear Emulsion用胶片研究宇宙线，核事例较简单，在高山上实验可以长期（几个月）暴露在宇宙线下。另外很轻可搭载火箭或气球，在更高海拔实验。
Cecil Powell认为乳胶相当于连续灵敏的高压膨胀室。
乳胶比云室（气体）的物质密度大1000多倍，有更大的‘阻止本领’，容易观测粒子的能量损失和衰变。
在 1923 -1938 Marietta Blau 对核乳胶技术做了许多 先驱性工作，1937年用乳胶观察到宇宙线的原子核星裂。
1946年Ilford 生产出更适合记录粒子径迹的乳胶（颗粒更细），50-70mm厚的乳胶片。
云室及其照片可提供粒子径迹，能直接观察粒子通过时和物质作用发生的物理过程。但很难得到足够的事例数。
Discovery of Pion Yukawa 预言的粒子！
In 1947, Powell， Perkins 等用乳胶在宇宙线实验中发现了 Pion。1946年11月取回胶片，得20个碎裂事件，其中一个如图，根据散射和电离情况，估计A粒子的质量 在100-300me. 两个星期后Powell 和Occhialini 发表了6个类似的事例。
34
Discovery of muon and pionPion and Muon
重要的突破 是1947年5月Occhialini等发表了两个
pi-mu 事例。
Pion 衰变 muon 和一个没留径迹的粒子。
衰变产物- muon 有确定的射程，这表示pion衰变
是一个两体过程。
Cecil Powell 1947年，
- detected in cosmic rays captured in photographic emulsion
- Unlike muons they do interact with nuclei
- charged pions eventually decay to muons: p- ® m- nm
- view of the particle world seemed complete for entire two months...
Leptons: no strong interactions
Hadrons: feel strong interactions
pion meson (p)
1950年获诺贝尔物理奖：发展用乳胶方法研究核过程及在介子发现中的贡献Discovery of kaon meson (K)
1947年 发现奇异介子 (kaon) Rochester, Butler
在5000张云室照片中发现两个V粒子事例，现在看来是
K0s p+ +p- ，K+ m+ +n 。
但后来两年都没看到类似的事例。
A K+ meson (track a) enters the top of the chamber before decaying by the reaction K+→μ+ + vμ to give a muon (track b) and an unseen neutrino.
The dark band across the chamber is a 3 cm thick lead plate, and track b is identified by its ability to penetrate this plate with little loss of energy. (Reprinted from Rochester and Butler, Nature 160, 855, 1947, )
- cosmic ray particles with masses in between pions and protons
(decay to pions or a muon and neutrino)
- Mass ~ 0.5 GeV
1948/49, Kodak and Ilford 生产出更灵敏的乳胶底片
First evidence of the decay of the Kaon into 3 Pions was found in 1949.
Kaon
Pion
Pion
Pion
Particle accelerators
- Drawbacks of Cosmic Rays:
- Interesting things happen very very rarely
- Very difficult to catch them in particle detectors
- Rate drops quickly with particle energy
- Particle accelerators:
- Make things happen when and where we want
- Can achieve high rates at high energies
- Accelerate ordinary stable particles (e, p) from rest to large kinetic energies and smash them into the other matter
- Kinetic energy of light particles can be turned into mass of heavy particles!
E = m c2
对这些粒子的研究引起了产生人造高能粒子源建造加速器激情!
粒子物理－高能物理
量子力学告诉我们粒子具有波动性，波具有粒子性
l = h/pLawrence 1930s
（1939 Nobel prize)
高压倍加器(700keV)
(Cockcroft-Walton）
1951年诺贝尔奖
直线加速器
回旋加速器
Particle acceleratorsCosmotron at Brookhaven
(first proton synchrotron
1952 -2.3GeV)
- Discovery of entire particle zoo 1950’s
AGS 33 GeV on July 29, 1960.
the AGS has earned researchers three Nobel Prizes
Lawrence, 1949建造6.2 GeV的Bevatron 1954年加速器运行
1955年发现了反质子. "New Atom Particle Found; Termed a Negative Proton".
The Proton Synchrotron (PS) 28 GeV , 1st proton beam Nov. 24 1959, circumference of 628 m
41
Bubble ChamberDonald Glaser
Instead of supersaturating a gas with a vapor, one would superheat a liquid. A particle depositing energy along it’s path would then make the liquid boil and form bubbles along the track.
In 1952 Glaser photographed first Bubble chamber tracks.
Unlike the Cloud Chamber, the Bubble Chamber could not be triggered, i.e. the bubble chamber had to be already in the superheated state when the particle was entering. It was therefore not useful for Cosmic Ray Physics, but as in the 50ies particle physics moved to accelerators it was possible to synchronize the chamber compression with the arrival of the beam.
For data analysis one had to look through millions of pictures.
A bubble chamber picture of the associated production reaction π− +p→K0 +.
The incoming pion is indicated by the arrow, and the unseen neutrals are detected by their decays K0→π+ +π − and →p+π −. This picture was taken in the 10 in (25 cm) hydrogen bubble chamber at the Lawrence Berkeley National Laboratory. (Lawrence Berkeley National Laboratory photo)
奇异粒子成对产生
粲粒子成对产生
An example of the associated production of two charmed particles observed in a
high-resolution bubble chamber at SLAC (Abe et al., 1982). An incident unseen photon enters
from the left and interacts with a proton in the liquid hydrogen of the chamber to produce a
charged, charmed particle, which travels about 2mm before decaying to give three charged
particles, and an unseen, neutral charmed particle, which travels about 3mm before decaying
to give two charged particles.（Phys. Rev. Lett., 48, 1526.）
44
Bubble ChamberIn the bubble chamber, with a density about 1000 times larger that the cloud chamber, the liquid acts as the target and the detecting medium.
Figure:
A propane chamber with a magnet discovered the S° in 1956.
A 1300 MeV negative pion hits a proton to produce a neutral kaon and a S°, which decays into a L° and a photon.
The latter converts into an electron-positron pair.
45
气泡室有非常好的位置分辨(5m)，泡室内的物质就是靶可以很好地重建复杂的反应和衰变过程。其缺点是运行率低（~10/sec)，而现代加速器的碰撞率很高，如LHC 109 /sec.
气泡室不能用触发方法来选择要记录的反应。
数据分析要通过对照片扫描，如W 事例是在~ 扫描了6000张照片才找到。
所以迫切希望有电子学记录的高位置分辨的粒子径迹的探测器。
气泡室
46
电子学计数器Tip counter, Geiger 1913
1908, Rutherford 和 Geiger 研发了测量a 粒子的气体计数管，读取得到电信号。
a 粒子使计数管内的气体电离，产生电子和离子，电子在电场作用下向中心的丝漂移且发生电子倍增，引起放电，可由静电计记录。
The ‘random discharges’ in absence of
alphas were interpreted as ‘instability’, so the device wasn’t used much.
As an alternative, Geiger developed the
tip counter, that became standard for
radioactive experiments for a number
of years.
Rutherford and Geiger 1908
47
1930 - 1934Rossi 1930: Coincidence circuit for n tubes
Cosmic ray telescope 1934
48
Scintillators, Cerenkov light, Photomultipliers1934 发现当射线穿过一些液体时会伴随有微弱的蓝光。对这现象的仔细实验，认识到这不是‘荧光’现象。1936年发现这种辐射有明显的空间‘不对称’特点，只出现在前向一定的角度。理论分析提出这是一种新的辐射‘切伦科夫辐射’(Cerenkov Radiation)。
闪烁体得到广泛应用是在1937年光电倍增管(PMT)发明后，闪烁体和PMT组合构成现代的闪烁计数器。
1940代后期, 闪烁计数器和切伦科夫计数器广泛投入应用。
电子学计数器
闪烁体： 1911, 卢瑟福用硫化锌 荧光屏观测a 射线，如果a 粒子达到屏上，显微镜可看到屏上出现闪光。并用进行了著名的a 粒子散射实验。
PMT
切伦科夫辐射
49
发现反中微子的实验 1956Reines 和 Cowan 发现反中微子的实验。利用反应堆产生的反中微子 射入装有CdCl2 的水靶，若被质子俘获，则产生中子和正电子。正电子很快在水靶中损失掉动能，而与靶中的电子湮灭产生一对能量为0.511MeV 的 光子，它们被液态闪烁体探测，这过程大约为10-9 秒。另外中子慢化后被镉吸收，放出几个 光子，被闪烁体探测到，这过程约为10－5 秒，约比正电子湮灭晚15微秒。由延迟符合信号及对实验装置的屏蔽给出了可靠的结果。
1995
1995
1995
Reines和Martin分享
1995年诺贝尔物理奖
n + p -> n + e+
50
火花室 muon 中微子的发现The Spark Chamber was developed in the early 60ies.
In 1960, Schwartz, Steinberger and Lederman construct a 10 ton spark chamber. The detector was divided into 90 plates of aluminium, each an inch thick. The spaces between the plates were filled with neon gas. 13.5 m thick steel shield, was dimensioned to stop the penetrating muons.
A charged particle traverses the detector and leaves an ionization trail.
The scintillators trigger an HV pulse between the metal plates and sparks form in the place where the ionization took place.
51
G. Charpak 1968年发明多丝正比室 漂移室：测量粒子穿过探测器及电离电子到达阳极丝的时间来确定径迹的位置。
位置分辨~ 80-150 mm
由许多根细丝（20mm)作为阳极，丝距s~2mm, 每根丝分别读出。位置分辨<1 mm。
与火花室和气泡室相比，多丝室的优点：响应快，高空间和时间分辨，没有明显的死时间和记忆效应，抗辐照性好。
多丝漂移室
Measuring arrival time of electrons at
sense wire relative to a time t0 has
opened many applications
- 1960年代初，发现“基本”粒子的数目比周期表的元素数目还多。
54
3. 粒子源及种类- 辐射源
天然的：自然界自然存在的放射性核素
人工的：用加速器，反应堆产生的放射性核素
带电粒子辐射：电子、重带电粒子
电磁辐射：X射线、射线
中性粒子：中子、中微子、0等
55
宇宙射线
在大气中的簇射
射线在大气中由碰撞产生一些新的粒子，如子，介子，奇异粒子等。但是并没有观测到物质的更深层次的结构（原子，原子核，核子）。
56
高能加速器和探测器—高能物理研究的基本工具
- 必要性：
- 探索尺度越小，越需要高能加速器。（波长与能量成反比）
- 产生新重粒子，需要更高能加速器。（E＝Mc2）
- 模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞机，以产生极高的温度。
- 加速器类型：
- 一般加速器：加速单束带电粒子轰击固定靶产生次级粒子。
- 对撞机：两带电粒子束相撞，获得更高的加速效率。
- 分类:e+e-，ep，pp， ，重离子—重离子。
57
静电加速器
串列加速器
58
直线加速器和回旋加速器
59
同步辐射加速器
60
对撞束
61
62
世界上第一台对撞加速器1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。
63
美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
64
Tevatron ColliderFermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机
质子，反质子束流加速到900 GeV ，有两
个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现
Top夸克
65
欧洲粒子物理研究中心
66
67
4.六位获诺贝尔奖的粒子探测器大师- C.T.R.Wilson发现通过蒸气凝结观察带电
- P.M.S.Blackett 发展Wilson云室技术，在
- C.F.Powell 发明乳胶技术，在宇宙线中
68
- D.A.Glaser 发明气泡室（1960年）
- L.W.Alvarez 发展氢气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）
- G.Charpak 发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）
69
三、高能物理实验
- 加速器技术：能量越来越高，固定靶实验， 对撞机实验
- 粒子探测器：时间响应快，位置分辨高，能量分辨好
- 读出电子学：快速记录海量的复杂事例
CAMAC、VME总线系统
- 计算机技术：在线实验数据获取、离线数据分析、事例重建、显示、处理、传输
- 大型综合多粒子高能磁谱仪：通过测量粒子的电荷、能量、动量、径迹、飞行时间，进而鉴别粒子，测量粒子不变质量谱，发现新粒子。
- 国际合作：十几个国家和地区，几十个科研机构和大学，几百上千个科学家、工程师合作
70
L3:发言人-丁肇中教授
中国科大，中科院高能所，上硅所参加
71
三代轻中微子 - LEP实验结果
72
73
从LEP到LHC
74
75
尚待解决的问题
- Higgs是否存在？
- 超对称粒子（*注）是否存在？
- 胶子球存在的证据，四夸克态、五夸克态、六夸克态和奇特态的寻找。
- 暗物质粒子的探测（WIMP粒子的寻找）
- CP 破坏的本质是什么？
- 粒子为什么有质量？
- 夸克、轻子是基本组元吗？
- 夸克、轻子只有三代吗？
*注：超对称粒子是指夸克、轻子自旋为整数，传播子自旋为半整数。
76
ATLAS Detector: red part with Chinese contributions
Chinese contribution 0.5%
77
CMS Detector: Chinese contribution 1%
IHEP－ CSC PKU－ RPC
78
相对论重离子对撞机(RHIC)
RHICBRAHMS
PHOBOS
PHENIX
STAR
AGS
TANDEMS
1 km
1999年建成。它有两个环（黄环和兰环），周长3.8公里。
79
Heavy-ion CollisionsRHIC BNL
Au+Au up to 200 GeV/n
80
可能的长远规划项目
- 极高能强子对撞机（VLHC)
- 电子直线对撞机，NLC/JLC
- muon对撞机
- 中微子工厂
81
RF Power for a Electron Accelerator
Electrons in a circular accelerator loose energy due to Synchrotron radiation
UV, X-ray photonsCharged particle
DE = 4p/3 (e2b3g4 / R) per turn
=> DE E4/m4 (g = E/m)
LEPII: DE = 5.6 GeV (2.8 % per turn)
Power ~ 30,000 kW
Cost scaling $ Ecm2
82
Solution: No Bends Linear Collider
bang!
e+e-
10 km
- Acceleration gradient determines the total length of the linac.
- Eg. for a 25 MV/m gradient (Tesla), linac length is 10 km minimum for a 250 GeV beam.
10 km
Ecm=E+ + E-
质量的起源 (一)
物理学是一门试图在最基本的层次上理解自然的古老科学， 她的早期曾经是哲学的一部分。 在那个时期， 物理学所关心的是一些有关世界本原的问题。 那些问题看似朴素， 却极为困难。 在后来的漫长岁月里， 物理学曾经一次次地回到那些问题上来， 就像远行的水手一次次地回望灯塔。 “质量的起源” 便是一个有关世界本原的问题。
我们首先来界定一下所要讨论的质量究竟是什么东西的质量。 这在以前是不言而喻的， 现在的情况却有了变化， 因此有必要加以界定。 众所周知， 过去十年里观测宇宙学所取得的一个令人瞩目的成就， 就是以较高的精度测定了宇宙物质的组成， 从而使我们在宇宙学的历史上第一次可以谈论所谓的 “精密宇宙学” (precision cosmology)。
按照这种 “精密宇宙学” 为我们绘出的图景， 在宇宙目前的能量密度中暗能量 (dark energy) 约占 68%， 暗物质 (dark matter) 约占 27%， 而我们熟悉的所谓 “可见物质” (visible matter) 或 “普通物质” (ordinary matter) 只占可怜兮兮的 5% (参阅拙作 宇宙学常数、超对称及膜宇宙论)。 在这些组成部分中， 对暗能量与暗物质的研究目前还处于很初级的阶段， 尚未建立起足够具体且有实验基础的理论。 因此本文对之不做讨论。
除去了暗能量与暗物质， 剩下的就是可见物质了。 可见物质在宇宙能量密度中所占的比例虽小， 却是我们所熟知的物质世界的主体。 可观测宇宙中数以千亿计的星系， 每个星系中数以千亿计的恒星， 以及某个不起眼的恒星附近第三颗行星上数十亿的灵长类生物， 全都包含在了这小小的 5% 的可见物质之中[注一]。
本文要讨论的便是这可见物质。
与 “暗” 字打头的其余 95% 的能量密度相比， 我们对可见物质的研究与了解无疑要深入得多。 今天几乎每一位中学生都知道， 这部分物质主要是由质子、 中子、 电子等粒子组成的。 因此很明显， 要讨论质量的起源， 归根到底是要讨论这些粒子的质量起源。
对几乎所有受过现代教育的人来说， 最早接触质量这一物理概念都是在牛顿力学中。 在牛顿力学中， 质量是决定物体惯性和引力的基本物理量， 是一个不可约 (irreducible) 的概念。 我们知道， 在大约两百年的时间里， 牛顿力学被认为是描述物理世界的基本框架， 这就是所谓的机械观 (mechanical worldview)。 在那段时间里， 物理学家们曾经试图把物理学的各个分支尽可能地约化为力学。 很显然， 在那样一个以机械观为主导的时期里， 质量既然是力学中的不可约概念， 自然也就成为了整个物理学中的不可约概念。 不可约概念顾名思义， 就是不需要也不能够约化为更基本的概念的， 因此有关质量起源的研究在那个时期是基本不存在的[注二]。
但是到了 19 世纪末的时候， 试图把物理学的各个分支约化为力学的努力遭到了很大的挫折。 这种挫折首先来自于电磁理论。 大家知道， 电磁理论预言了电磁波。 按照机械观， 波的传播必然有相应的介质。 但电磁波是在什么介质中传播的呢？ 却是谁也不知道。 尽管如此， 物理学家们还是按照机械观的思路假设了这种介质的存在， 并称之为 “以太” (aether)。 但不幸的是， 所有试图为以太构筑机械模型的努力全都在实验面前遭遇了滑铁卢。 在那段最终催生了狭义相对论的物理学阵痛期里， 许多物理学家艰难地试图调和着实验与机械以太模型之间的矛盾。 但与那些挽救机械观的努力同时， 一种与机械观截然相反的思路也萌发了起来， 那便是电磁观 (electromagnetic worldview)。 电磁观的思路是： 物理学上并没有什么先验的理由要求我们用力学的框架来描述自然， 机械观的产生只不过是因为力学在很长一个时期里是发展最为成熟的物理学分支而已， 现在电磁理论也发展到了不亚于力学的成熟程度， 既然无法把电磁理论约化为力学， 那何不反过来把力学约化为电磁理论呢？
要想把力学约化为电磁理论， 一个很关键的步骤就是把力学中的不可约概念——质量——约化为电磁概念， 这是物理学家们研究质量起源的第一种定量尝试。 由于当时对物质的微观结构还知之甚少， 1897 年由 Joseph John Thomson (1856-1940) 所发现的电子是当时所知的唯一的基本粒子， 因此将质量约化为电磁概念的努力就集中体现在了对电子的研究上， 由此产生了物理史上昙花一现的经典电子论 (classical electron theory)。
经典电子论最著名的人物是荷兰物理学家 Hendrik Lorentz (1853-1928)， 他是一位经典物理学的大师。 在相对论诞生之前的那几年里， Lorentz 虽已年届半百， 却依然才思敏捷。 1904 年， Lorentz 发表了一篇题为 “任意亚光速运动系统中的电磁现象” (Electromagnetic Phenomena in a System Moving with Any Velocity Less than that of Light) 的文章。 在这篇文章中他运用自己此前几年在研究运动系统的电磁理论时所提出的包括长度收缩 (length contraction)、 局域时间 (local time) 在内的一系列假设， 计算了具有均匀面电荷分布的运动电子的电磁动量， 由此得到电子的横质量 mT 与纵质量 mL 分别为 (这里用的是 Gauss 单位制)[注三]：
mT = (2/3)(e2/Rc2)γ； mL = (2/3)(e2/Rc2)γ3
其中 e 为电子的电荷， R 为电子在静止参照系中的半径， c 为光速， γ=(1-v2/c2)-1/2。 撇开系数不论， Lorentz 这两个结果所包含的质量与速度的关系与后来的狭义相对论完全相同。
但 Lorentz 的文章刚一发表就遭到了经典电子论的另一位主要人物 Max Abraham (1875-1922) 的批评。 Abraham 指出， 质量除了象 Lorentz 那样通过动量来定义， 还应该可以通过能量来定义。 比方说纵质量可以定义为 mL=(1/v)(dE/dv)[注四]。 但简单的计算表明， 用这种方法得到的质量与 Lorentz 的结果完全不同。 这说明 Lorentz 的电子论是有缺陷的。 那么缺陷在哪里呢？ Abraham 认为是 Lorentz 的计算忽略了为平衡电子内部各电荷元之间的相互排斥所必需的张力。 没有那样的张力， Lorentz 的电子会在各电荷元的相互排斥下土崩瓦解[注五]。 除 Abraham 外， 另一位经典物理学大师 Henri Poincaré (1854-1912) 也注意到了 Lorentz 电子论的这一问题。 Poincaré 与 Lorentz 是 Einstein 之前在定量结果上最接近狭义相对论的物理学家。 不过比较而言， Lorentz 的工作更为直接， 为了调和以太理论与实验的矛盾， 他提出了许多具体的假设， 而 Poincaré 往往是在从美学与哲学角度审视 Lorentz 及其他人的工作时对那些工作进行修饰及完善。 这也很符合这两人的特点， Lorentz 是一位第一流的工作型物理学家 (working physicist)， 而 Poincaré 既是第一流的数学及物理学家， 又是第一流的科学哲学家。 在 1904 至 1906 年间， Poincaré 亲自对 Lorentz 电子论进行了研究， 并定量地引进了为维持电荷平衡所需的张力， 这种张力因此而被称为了 Poincaré 张力 (Poincaré stress)。 在 Poincaré 工作的基础上， 1911 年 (即在 Einstein 与 Minkowski 建立了狭义相对论的数学框架之后)， 德国物理学家 Max von Laue (1879-1960) 证明了带有 Poincaré 张力的电子的能量动量具有正确的 Lorentz 变换规律。
下面我们用现代语言来简单叙述一下经典电子论有关电子结构的这些主要结果。 按照狭义相对论中最常用的约定， 我们引进两个惯性参照系： S 与 S'， S' 相对于 S 沿 x 轴以速度 v 运动。 假定电子在 S 系中静止， 则在 S' 系中电子的动量为：
p'μ = ∫t'=0T'0μ(x'ξ)d3x' = L0αLμβ∫Tαβ(xξ)d3x'
其中 T 为电子的总能量动量张量， L 为 Lorentz 变换矩阵。 由于 S 系中 Tαβ 与 t 无关， 考虑到：
∫Tαβ(xξ)d3x' = ∫Tαβ(γx', y', z')d3x' = γ-1∫Tαβ(xξ)d3x
上式可改写为：
p'μ = γ-1L0αLμβ∫Tαβ(xξ)d3x
由此得到电子的能量与动量分别为 (有兴趣的读者可试着自行证明一下)：
E = p'0 = γm + γ-1L0iL0j∫Tij(xξ)d3x
p = p'1 = γvm + γ-1L0iL1j∫Tij(xξ)d3x
这里 i, j 的取值范围为空间指标 1, 2, 3， m=∫T00(xξ)d3x， 为了简化结果， 我们取 c=1。 显然， 由这两个式子的第一项所给出的能量动量是狭义相对论所需要的， 而 Lorentz 电子论的问题就在于当 Tμν 只包含纯电磁能量动量张量 TEMμν 时这两个式子的第二项非零[注六]。
那么 Poincaré 张力为什么能避免 Lorentz 电子论的这一问题呢？ 关键在于引进 Poincaré 张力后电子才成为一个满足力密度 fμ=∂νTμν=0 的孤立平衡体系。 在电子静止系 S 中 Tμν 不含时间， 因此 ∂jTij=0。 由此可以得到一个很有用的关系式 (请读者自行证明)： ∂k(Tikxj)=Tij。 对这个式子做体积分， 注意到左边的积分为零， 便可得到：
∫Tij(xξ)d3x =0
这个结果被称为 von Laue 定理 (von Laue's theorem)， 它表明我们上面给出的电子能量动量表达式中的第二项为零。 因此 Poincaré 张力的引进非常漂亮地保证了电子能量动量的协变性。
至此， 经过 Lorentz， Poincaré， Laue 等人的工作， 经典电子论似乎达到了一个颇为优美的境界， 既维持了电子的稳定性， 又满足了能量动量的协变性。 但事实上， 在这一系列工作完成时经典电子论对电子结构的描述已经处在了一个看似完善， 实则没落的境地。 这其中的一个原因便是那个 “非常漂亮地” 保证了电子能量动量协变性的 Poincaré 张力。 这个张力究竟是什么？ 我们几乎一无所知。 更糟糕的是， 若真的完全一无所知倒也罢了， 我们却偏偏还知道一点， 那就是 Poincaré 张力必须是非电磁起源的 (因为它的作用是抗衡电磁相互作用)， 而这恰恰是对电磁观的一个沉重打击。 就这样， 试图把质量约化为纯电磁概念的努力由于必须引进非电磁起源的 Poincaré 张力而化为了泡影。 但这对于很快到来的经典电子论及电磁观的整体没落来说还只是一个很次要的原因。
- 当然， 这一说法并不严格， 在星系所占据的空间范围内也有数量可观的暗物质及暗能量， 我们这里指的只是光学观测意义上的星系。
- 这里有一个著名的例外是 Ernst Mach (1838-1916)， 他对 Newton 绝对时空观的批判性思考启示了这样一种观念， 那就是一个物体的质量 (惯性) 起源于宇宙中其它星体的作用。 Mach 的想法曾对 Einstein 产生过影响， 并且直到现在还有一些物理学家在研究， 但它与广义相对论的定量结果及对惯性各向异性的测量结果并不相符。 因此我们不把它列为有关质量起源的具体理论。
- Lorentz 所用的质量定义是 m(dv/dt)=dp/dt， “横质量” 与 “纵质量” 分别对应于 v 与 dv/dt 垂直及平行这两种特殊情况。
- 当时还没有 Einstein 的质能关系式， Abraham 的这一关系式是一个简单的力学关系式， 读者不妨自行推导一下。
- 如上所述， Abraham 也是经典电子论的代表人物， 有读者可能会问， 他自己的电子模型又如何呢？ 与 Lorentz 不同， Abraham 所用的是一个绝对刚性的电子模型， 因此在他的模型中不需要引进对能量有贡献的张力。 他的模型一度曾被认为比 Lorentz 的模型更符合实验， 但那实验——即德国物理学家 Walter Kaufmann (1871-1947) 的实验——后来被证实是有缺陷的。
- 有兴趣的读者可以进一步证明这样一些结果： 1. 对于球对称均匀面电荷分布， ∫TEM00(xξ)d3x = (1/2)e2/R； 2. 对于任意球对称电荷分布， ∫TEMii(xξ)d3x = (1/3)∫TEM00(xξ)d3x； 3. 由 1 和 2 证明 Lorentz 有关 mT 与 mL 的公式； 4. 证实 Abraham 对 Lorentz 的批评， 即用 mL=(1/v)(dE/dv) 定义的质量与 Lorentz 的结果不同。
No comments:
Post a Comment