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基本信息
| 定義 | 實(shí)驗(yàn)手段對高能量粒子進(jìn)行的探測 |
正文
通過實(shí)驗(yàn)手段對高能量基本粒子進(jìn)行的探測。從20世紀(jì)50年代開始，由于高能加速器技術(shù)的發(fā)展，被加速粒子的能量越來越高，因此，在不同的時(shí)期，“高能”的定義是不同的。在60年代，幾吉電子伏就認(rèn)為是屬于高能范圍。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?cái)⑹?/span>高能粒子的探測方法，這里把幾吉電子伏能量的粒子認(rèn)為是高能粒子。
電子e和質(zhì)子p-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
探測高能粒子的基本原理是依據(jù)帶電粒子與物質(zhì)原子的電離或激發(fā)作用，不同粒子有不同電離(和激發(fā))強(qiáng)度與動量的關(guān)系曲線。現(xiàn)代的絕大多數(shù)探測器都是根據(jù)這個(gè)原理制成。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(zhì)。而中性粒子不能使物質(zhì)原子產(chǎn)生電離（或激發(fā)），因此必須通過間接方式來確定其性質(zhì)，如通過探測其衰變的帶電粒子或探測與物質(zhì)作用產(chǎn)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(yīng)、穿越輻射效應(yīng)等作為探測原理。此外，由于各種粒子本身的性質(zhì)不同(如強(qiáng)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(zhì)取決于實(shí)驗(yàn)本身的要求。只要求測定一個(gè)次級粒子的性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)叫做單舉實(shí)驗(yàn)；要求測定全部次級粒子的性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)叫做遍舉實(shí)驗(yàn)。不管哪種實(shí)驗(yàn)，對于要測定的具體次級粒子，一般都要求探測出它是什么粒子（亦即確定其質(zhì)量和電荷，有時(shí)還要求確定其壽命），它的動量以及它的飛行方向，對于每個(gè)相互作用，通常還要求確定由作用產(chǎn)生的總的次級粒子數(shù)目。
粒子質(zhì)量的測定 確定一個(gè)粒子是什么粒子，最主要的是要精確測定其靜止質(zhì)量。由于不同的粒子具有不同的固有質(zhì)量，知道了質(zhì)量就等于確定了粒子。因此確定粒子質(zhì)量是鑒別粒子的最重要的手段。粒子的質(zhì)量常常不能利用一種方法直接測定，一般都需要測定二個(gè)物理量，例如動量、動能、速度（或洛倫茲因數(shù)）等中的兩個(gè)，然后再經(jīng)過推算確定其質(zhì)量。
由于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(gè)量(其中之一必須含m的),就能確定質(zhì)量m。選擇測哪兩個(gè)量最好，要看具體的實(shí)驗(yàn)情況，它取決于所用的探測器，出于簡便和精確的原因，常測的一個(gè)量是動量。
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。由于在一定的均勻磁場強(qiáng)度H下，動量p正比于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(jù)已知H，用探測器測定R及α，就可確定粒子的動量。其關(guān)系是：
,p、H、R的單位分別是MeV/c、Gs、m 。對次級粒子來說，無論從確定粒子質(zhì)量，還是物理分析的需要，測定動量是極為重要的。
動能的測定 ①帶電粒子在物質(zhì)中與原子進(jìn)行庫侖散射，將使原子激發(fā)或電離，為此，粒子要消耗能量。經(jīng)過dx間距所損失的能量為－dE。實(shí)驗(yàn)表明，粒子在單位距離內(nèi)的能量損失
是與該粒子的動能T有確定的關(guān)系，因此，用實(shí)驗(yàn)方法測定值或者是n值
，ω為產(chǎn)生一個(gè)離子對的平均能量，n為單位長度內(nèi)產(chǎn)生的離子對數(shù) ,就可以得到T 值。對于不同的帶電粒子(如e、π、p)，
的關(guān)系是不同的，但由于不同粒子的的關(guān)系曲線存在重疊區(qū)，這種方法只在一定范圍內(nèi)適用。② 如探測器物質(zhì)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(jù)粒子的射程可確定動能T,因?yàn)樯涑膛c動能T及質(zhì)量m有關(guān)。T大，m小，射程就越長。對于相同的T、m,物質(zhì)不同，射程也不同，因此射程也是一個(gè)測量量。但對高能粒子來說，使粒子停下來是困難的，故這類測量大多用于粒子能量不太高的情況。不同物質(zhì)中，各種粒子的射程－能量關(guān)系通常有表可查（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(yīng)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(zhì)（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(zhì)的探測器，使粒子在其中發(fā)生作用而產(chǎn)生次級粒子，次級粒子再發(fā)生作用，使再產(chǎn)生次級粒子，如此重復(fù)地進(jìn)行，最后使全部次級粒子停止在探測器中，由于被探測的粒子在媒質(zhì)中損失的總能是與該粒子的動能成正比，因此根據(jù)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(jù)這種原理制成的探測器叫做粒子量能器。
高能粒子探測
高能粒子探測
高能粒子探測
pβ的測定 在一定的條件下，利用粒子在物質(zhì)中的多次庫侖散射可確定
值。多次散射的大小是以粒子多次偏轉(zhuǎn)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(zhì)元素的核電荷數(shù)Z、通過物質(zhì)的厚度t及粒子的pβ值有以下關(guān)系：
，式中k1為散射常數(shù)，對確定的物質(zhì)是已知的，而物質(zhì)元素的Z及t也是已知的，因此根據(jù)測量值α，就可得到pβ值。這種測量一般只能在密物質(zhì)(例如核乳膠、氙氣泡室等) 中進(jìn)行，在輕物質(zhì)中不能作這種測量，所以應(yīng)用并不廣泛。
速度β的測量 ① 利用切倫科夫輻射效應(yīng)：cosθ＝
。β為入射粒子速度，n為透明媒質(zhì)的折射率，θ為切倫科夫光的發(fā)射角。所以測定θ，已知n,就可求出β。這種測量也有一定范圍。當(dāng)β很接近于1時(shí)，就很難精確測定β了。②飛行時(shí)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(jīng)過的時(shí)間間隔為Δt，則可直接求出
,此法就是利用測定粒子飛行時(shí)間Δt(已知l)的方法來求得β。
βγ的測定 粒子通過探測器時(shí)，根據(jù)記錄到的單位距離內(nèi)的離子對數(shù) (如云室中的水珠數(shù)、泡室中的氣泡數(shù)、流光室中的流光數(shù)等等，亦稱電離程度)N可以求得βγ值。N和βγ有以下關(guān)系:
，A和k在一定條件下為常數(shù)。通常的做法是事先作出I/Io(即N/No)與βγ的關(guān)系曲線，然后根據(jù)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(dāng)粒子能量很高時(shí),β≈1，而洛倫茲因數(shù)γ卻與能量成正比，能量越高，γ就越大。因此，對于很高能量的粒子,γ是一個(gè)理想的測量量。測定γ,可以利用粒子穿過多層物質(zhì)時(shí)的穿越輻射效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明，由粒子產(chǎn)生的穿越輻射（X 射線區(qū)）的光子數(shù)是與粒子的γ值成正比，因此測定穿越輻射的光子數(shù)就可得到γ值。這種方法一般只能用于探測單個(gè)粒子，而且精度并不太高。
粒子電荷的探測 整數(shù)電荷 由于迄今為止所觀察到的高能粒子都是單電荷（電荷量等于電子或質(zhì)子的電荷量）或中性的，所以確定粒子的帶電性，實(shí)驗(yàn)上就是簡單地確定電荷符號是正的、負(fù)的或是中性的，確定正、負(fù)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(zhuǎn)方向。以電子徑跡的偏轉(zhuǎn)方向作為帶負(fù)電粒子的偏轉(zhuǎn)方向。相反的偏轉(zhuǎn)方向就為帶正電粒子。實(shí)驗(yàn)上通常都是把測量動量和確定正、負(fù)電荷結(jié)合在一起。對于中性粒子，由于探測器對它不靈敏，因此只能根據(jù)次級作用產(chǎn)生的帶電粒子來推斷它的存在，并且確定它是中性的。
分?jǐn)?shù)電荷根據(jù)量子色動力學(xué)理論的預(yù)言，組成強(qiáng)子的夸克，其所帶的電荷并不是質(zhì)子電荷e的整數(shù)倍，而是分?jǐn)?shù)電荷，如
等。在探測分?jǐn)?shù)電荷粒子的情況下，除了需要知道其正、負(fù)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(shí)驗(yàn)，一般有以下幾種方法：①測量電離法(用于云室和氣泡室)。由于電離度I與電荷數(shù)Z的二次方成正比，故在相同速度下，分?jǐn)?shù)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低脈沖信號法(用于閃爍計(jì)數(shù)器)。原理是利用
。對分?jǐn)?shù)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。用處于超導(dǎo)狀態(tài)的小鈮球懸浮在兩個(gè)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。方法類似于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(gè)統(tǒng)計(jì)過程，對于高能相互作用產(chǎn)生的次級粒子，通常并不（需要）測定每個(gè)粒子的壽命，而是多粒子的統(tǒng)計(jì)平均壽命，粒子壽命的測定是取決于具體的實(shí)驗(yàn)要求、精確測定不穩(wěn)定粒子的壽命，需要設(shè)計(jì)專門的實(shí)驗(yàn)。一般的實(shí)驗(yàn)，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(shí)看到產(chǎn)生點(diǎn)和衰變點(diǎn)，因此可以直接測定其壽命，對于壽命更短的粒子，例如πo 介子(壽命為10-16 s)以及共振態(tài)等，在探測器中所觀察到的產(chǎn)生點(diǎn)和衰變點(diǎn)是重合在一起的，因此也不能根據(jù)其飛行距離來測定壽命。共振態(tài)粒子的壽命常在10-22 ～10-23 s范圍，估計(jì)它們壽命的唯一方法是根據(jù)它們的質(zhì)量分布寬度。分布越寬，壽命越短。
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