核与粒子物理实验方法

预备知识 物质是由各种微观粒子构成的，这是现代物理学的基本图像，看似简单，实际包含了丰富的研究内容，涉及微观结构模型、相互作用机制、对称性与守恒定律、实验方法与探测技术等，它们之间相互关联(图0.1)，其中实验方法研究是不可缺少的环节。 图0.1 实验物理研究的各个环节与相互关系 0.1 微观结构图像 19世纪末，人们已经认识到一切物质都是由原子组成的。化学分析获得元素周期性规律表明原子本身还存在内部结构。原子核概念是基于20世纪初大量的实验观测，其中*著名的是α粒子散射实验，卢瑟福通过对实验现象分析提出了原子有核模型。原子核本身还能被分解为更小的粒子，即原子核由中子和质子(统称为核子)构成，这一结论随着中子的发现得到进一步认可。当时，电子、中子、质子及中微子被认为是构成物质世界的基本粒子，其中中微子是为了解决β衰变与守恒定律的矛盾而提出的假设。这四种粒子足以描述原子与原子核物理中的大多数已知现象，即使是今天，这些粒子也仍然是描述物质微观结构的基础。20世纪中期，粒子加速器实验发现强子超过200种，质子和中子仅仅是强子家族中的两位代表，正因为其数量之大，所以强子不是构成物质的基本粒子。为了建立强子结构图像，物理学家提出了夸克模型，所有已知的强子都可以用两种或三种夸克来描述。 在上述过程中，将能量不断提高的粒子作为探针，观测其内部的精细结构，成为核与粒子物理实验的基本方法。大量实验成果为微观物质结构模型，即标准模型奠定了基础。标准模型认为物质是由两种基本成分构成的：轻子(包含电子和中微子)和夸克。根据散射实验的结果，二者的尺度均小于10.18m。作为比较，质子大小超过10.15m。轻子和夸克的自旋为1/2，即均为费米子。与原子、原子核以及强子不同的是，无论轻子还是夸克，至今都没有被观测到存在激发态，因而它们被认为是基本粒子，或者认为是点粒子。到目前为止，已知有六种轻子和六种夸克以及它们各自的反粒子，这些基本粒子可以通过“代”(generations)或“族”(families)进行分类，各自又分为三代。许多物理学家认为轻子和夸克的数量依然偏多，而且其属性存在代际特征，因而否认二者可作为基本粒子，正确与否，有待新的实验结果告诉我们答案。 0.2 基本相互作用 随着对微观物质结构理解的深入，人们对自然界基本作用力也有了进一步的认识，包括基本粒子间的相互作用。大约19世纪初，以下四种力被认为是基本作用力：引力、电力、磁力，还有所知甚少的原子分子间作用力。直到19世纪末，电力和磁力被证明是同一种作用力：电磁相互作用。此后的研究表明原子存在内部结构，即带正电的原子核和电子云，并通过电磁相互作用保持整体结构，因此原子表现为电中性。在微观尺度下，原子间电场并没有完全抵消，故相邻的原子和分子相互影响，因此表现出不同“化学力”，实际上都是电磁相互作用的表现形式，比如范德瓦耳斯(vanderWaals)力。 随着核物理研究的发展，对两种新的短程力即核力(核子间作用力)和弱力(用于解释原子核β衰变)有了深入的理解。核力并不是基本相互作用，类似于原子之间电磁相互作用的表现形式，核力本质上是夸克之间的强相互作用。强作用力和弱作用力是粒子间的两种基本相互作用。所有物理现象都遵循四种基本相互作用、即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力相互作用对于恒星、星系和宏观物体，包括人类和各种生物运动是至关重要的，但对微观粒子运动的影响很小，一般可以忽略。 按照当前的理论，相互作用是通过交换矢量玻色子(自旋为1的粒子)进行传播的，如图0.2所示，分别是电磁相互作用中的光子、强相互作用中的胶子，以及弱相互作用中的W±、Z0。这三种相互作用都与“荷”有关，分别是电荷、弱荷、强荷(强荷又称为色荷，或“色”量子数)。当粒子具有某种“荷”时才会发生对应的相互作用：轻子和夸克携带弱荷；夸克和部分轻子(如电子)具有电荷；色荷只有夸克携带，因此轻子不参与强相互作用。W±和Z0玻色子都是非常重的粒子，质量分别为MW≈80GeV/c2、MZ≈91GeV/c2，根据量子力学的测不准关系，这两种粒子是虚粒子，散射过程中存在时间极短，因此弱相互作用为短程力，而光子的静止质量为零，故电磁相互作用的范围为无限大。胶子和光子类似，静止质量也为零，但与光子不同，胶子携带色荷，因而在胶子间也存在相互作用，大量实验证明强相互作用也是短程力。 图0.2 粒子间通过交换矢量玻色子发生相互作用 轻子和夸克用直线表示，光子用波浪线，螺旋线代表胶子，W±和Z0为虚线 0.3 对称性与守恒定律 对称性概念是数学家提出的，但在物理学中得到完美的诠释。德国数学家埃米 诺特(E.Noether)*早提出守恒定律与自然现象的对称性关系。物理学中的守恒律，如能量、动量、宇称、正反粒子等，实质上是相互作用规范场的共轭变量，对应于时间、空间、自旋、电荷等物理量具有不变性。换句话说，物理定律与其发生的时间、位置和空间取向无关。例如，按照量子力学，在一个角动量为h的束缚系统，空间波函数宇称为P=(.1).，其微观结构具有左右对称性的，表现在空间反演具有不变性，可用系统宇称量子数P守恒表示。宇称守恒导致了电磁跃迁的选择规则。在相对论量子力学中，宇称概念也具有重要意义，粒子与反粒子具有内禀宇称，玻色子与反玻色子具有相同的内禀宇称，费米子则相反。粒子与反粒子的一个重要对称性是电荷共轭宇称，一个粒子和它的反粒子构成的系统应该是电荷共轭算符C的本征态，其本征值由系统的轨道量子数和自旋量子数确定。实验上观测到一个多重态的粒子系统，在强和弱作用下可表现出不同的状态，同一多重态的粒子可以被描述为同一粒子的不同状态，这些状态由强自旋或弱自旋表示，因此对称性与守恒律对于微观作用机制的理解和分析都是不可缺的。 0.4 实验方法和探测技术 为了观测不同尺度物体的运动规律，人类发明了不同类型的仪器(图0.3)，其中亚原子尺度跨越了8个数量级。大多数亚原子物理的研究成果都与加速器实验相关。利用加速器产生高能粒子束与被研究的物体(靶核和粒子)发生相互作用，观测作用过程和末态粒子的运动学参数变化，用于研究微观物质结构和反应机制，是实验物理的基本方法。以电子的弹性散射为例，当电子的德布罗意波长λ=h/p与靶粒子尺度接近时，散射粒子的衍射图案能够非常精确地揭示出原子核的尺度。通常测定原子核半径需要电子束能量达到108eV，测量质子半径对应的能量是108～109eV。一个微观系统的激发能随其微观尺寸的减小而增大，当入射粒子的能量与产生激发态的能量接近时，形成共振吸收和共振发射，可用于研究激发态核与粒子的属性及其内部相互作用机制。物理学家寄希望于不断提高粒子加速器的能量，以便能够观测到核子内部夸克(或轻子)更深层次的结构。研制和建造更高能量的加速器代表了现代科学技术发展水平，同时推动了实验方法和探测技术的快速发展。 图0.3 不同尺度物体与观测仪器(a)和微观粒子尺度(b) 为了精确测定微观层次的各种反应过程，需要深入了解反应产生的各种粒子(带电粒子、光子、中子、中微子等)与物质相互作用机制。带电粒子与气体、液体、非晶体和晶体发生电磁相互作用，并转换为电信号或光信号。光子通过光电效应或康普顿效应，以及电子对效应被探测到。中子和中微子通过核反应产生的次级带电粒子被间接探测到。相应的粒子探测器有多种类型。例如，闪烁晶体探测器提供快时间信息，气体探测器覆盖面积大，能提供较好的空间分辨，结合磁场可用于动量测量；半导体探测器具有非常好的位置和能量分辨；切连科夫探测器和穿越辐射探测器用于相对论粒子鉴别；量能器用于测量高能粒子的能量。在实验设计中，需要根据不同物理目标，采用不同类型探测器，构建不同的实验装置和探测系统，这也是实验方法研究的重要内容。 0.5 相互作用和费曼图 亚原子粒子相互作用可以用费曼图描述(以美国物理学家R.P.Feynman的名字命名，1948年提出)。费曼图*早用于量子电动力学(QED)计算，当电磁作用比较弱(作为小量)时，在计算分析中可用“微扰”方法处理，以避免复杂的数学计算。更准确的定义：费曼图是对量子力学或场论的跃迁振幅或相关函数的微扰量的图形表示。例如，可表示微扰S-矩阵展开项，或者一个系统从初态到末态的所有可能过程的跃迁概率。 QED是被实验证明的高度精确的理论。电子与光子之间的一切过程都可以用费曼图表示，并且规定：波线表示光子，实线带有箭头表示电子，顺箭头方向运动表示粒子(电子)，逆箭头方向运动表示反粒子(正电子)。每个顶点代表一个作用点，是两条实线和一条波线的交点，其中一条实线指向作用点(表示初态)，另一条实线离开作用点(表示末态)，并规定相互作用沿着时间轴方向进行。图0.4是典型正负电子湮灭过程费曼图。费曼图同样可以扩展用于描述弱作用和强作用过程。 图0.4 两种正负电子湮灭过程 (a)双光子过程；(b)夸克–反夸克对过程。其中包含反夸克辐射胶子(绿色螺旋线) 0.6 国际标准单位和自然单位 实验观测粒子运动的基本物理量有：质量、长度、能量、动量和时间，其中长度和能量的常用单位分别是飞米(fm)和电子伏特(eV)。fm为国际标准单位制(SI)，定义为10.15m，大致对应质子的尺寸；eV代表单位电荷粒子穿过电势差为1V时获得的能量：1eV=1.602×10.19J。常采用十进制倍数表示keV、MeV、GeV等。根据质能方程E=mc2，质量单位常用MeV/c2或GeV/c2来表示。长度和能量，动量和时间与测不准关系式相关联，实验上常用于估算其数量级。 为了便于记忆，普朗克常数可表示为：h c≈200MeV fm。电磁相互作用耦合常数。由于历史原因，这一常数也被称为精细结构常数。许多物理量都与普朗克常数h和光速c有关，为了简化运算，粒子物理学中常用自然单位制(NU)。在这一单位中，选择h=c=1。一般定义4πε0=1，故α=e2(高斯单位制)。在一些理论公式中，令ε0=1、α=e2/4π(又称为亥维赛–洛伦兹单位制)。在自然单位制下，粒子的质量、能量和动量的量纲是一样的，都是eV(或MeV)。长度量纲为1/eV(或1/MeV)，而电荷是一个无量纲的基本物理量。 本书中的公式一般采用国际标准单位制表示，部分公式按习惯采用自然单位制。表0.1给出一些基本物理量的SI与NU单位制换算关系。 表0.1 一些基本物理量的SI与NU单位制换算关系 0.7 实验室参考系和动量中心系 描述高速运动粒子的运动学物理量，常遇到两个参考系即实验室参考系与动 量中心系的变换。动量中心系观测任何作用过程，其系统总动量为零，即