高能粒子探測
正文
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。為了著重敘述高能粒子的探測方法,這裡把幾吉電子伏能量的粒子認為是高能粒子。
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。
粒子質量的測定 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:
動量的測定 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:

動能的測定 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






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=γβ2 m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:

速度β的測量 ① 利用切倫科夫輻射效應:cosθ=

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:

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






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。
對高能粒子來說,如μ子(平均壽命為10-6 s)、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10-10 s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10-16 s)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 ~10-23 s範圍,估計它們壽命的唯一方法是根據它們的質量分布寬度。分布越寬,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表征,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坐標(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。