2017年6月16日 星期五

整合管理~3.1格物致知~02粒子冒險奇境~09我們如何解釋數據?

整合管理~3.1格物致知~02粒子冒險奇境~我們如何解釋數據?
現代偵測器

現代偵測器包含許多不同的小配件,分別測試同一事件中的不同方面。這許多零件組裝起來使物理學家得到最多由事件產生出來,有關粒子的數據。
這是一個典型現代偵測器的概要設計圖。

更多資訊:
追蹤室:
追蹤室偵測器內部充滿了各種彼此分離的感應裝置,所以帶電粒子的軌跡可以被精確地決定。
電磁熱量計:
電磁熱量計這個裝置測量正電子與負電子以及光子的總能。這些粒子在材料中產生大量正負電子對。負電子(或正電子)被原子的電場偏折,使他們放出光子這些光子又產生正負電子對正負電子對又接著輻射出光子。正負電子對的最後數目正比於初始粒子的能量。
強子熱量計:
強子熱量計這個儀器測量強子的總能強子與區域中的密物質互相作用產生大量的帶電粒子留下的帶電粒子其總能即可被測量。
介子室:
介子室只有介子與微中子跑得很遠。我們可偵測到介子,而交互作用力很小的微中子卻逃掉了,但是微中子可藉由消失的能量確定其存在性。
磁鐵:
磁鐵帶電粒子在磁場中的行進方向會彎曲彎曲的半徑及方向可以告訴我們帶電粒子的動量及電荷正負性。
典型的偵測器組成成分
偵測器分為許多部分的原因是,每一個部分負責試驗粒子性質的某一特性。 將這些零件組裝後,粒子將會連續通過這些裝置。 當粒子以我們可以測得的方式與偵測器交互作用,或者是衰變為可偵測的粒子,我們就可以確定他的存在。
各種粒子與偵測器不同零件的交互作用:

☆ 因為微中子很少與物質作用,所以此圖不包含微中子。我們只能由缺少的物質或能量來偵測之。
☆ π介子是帶電的介子。
注意事項:
․用追蹤室和電磁熱量計可以偵測帶電粒子,如 電子和 質子。
在追蹤室中我們無法偵測中性粒子,像中子和光子。只有當他們與偵測器作用時,我們才能察覺他們的存在。藉由電磁熱量計可以偵測光子,而中子可由其在強子熱量計的能量觀測到。
每一種粒子在偵測器中皆有其特殊行為。舉例來說,如果物理學家 只有 在電磁熱量計中,才偵測到某個粒子,那他一定是偵測到光子。

當一個粒子與其反粒子垂直螢幕頭對頭正面碰撞時,會產生正負電子對。
請問哪一個守恆律明顯被破壞了?

電荷?
輕子的數量?
動量?
能量?
答案:

動量守恆律明顯地被破壞了,但是這反應中還有看不到的微中子。
測量電荷和動量
偵測器的一個主要功能是測量粒子的電荷及動量。為達此目的,偵測器內部,尤其是追蹤裝置,都處於強磁場當中。因為帶正負電的粒子在相同磁場中的彎曲方向相反,所以由粒子路徑就可輕易讀出其帶電性為何。
動量大的粒子在磁場中的行進時間較短或者是慣性比動量小的粒子, 所以在磁場中行進方向較不易彎曲。藉此特性我們可以算出粒子的動量。

問題: 在磁場中,中性粒子的路徑會往哪個方向彎曲?
答案:
會走直線,中性粒子不會離開軌道,只有藉由他們的衰變粒子偵測他們,或者是由缺少的動量和能量發現其存在。
偵測器截面
為了使你瞭解粒子穿越偵測器的路徑為何,這裡有一張由發出碰撞粒子束的管子看下去的偵測器截面圖。注意可偵測到各種粒子的不同位置。

物理學家可根據粒子在偵測器中的出現位置算出粒子的類型。
待測粒子的軌跡

下面6個事件圖是從現代偵測器得來的,每一種都展示一些Z粒子可能發生的衰變(Z粒子衰變的時間太短,不易被觀察到。)試著辨別留下這些軌跡的粒子為何。如果你需要協助的話,回到偵測器組成成分,或者是回到偵測器截面。

1.
 
答案:e-, e+
2.
 
答案:介子+,介子-
Z粒子也會衰變成某些粒子,這些粒子再衰變成目前所看到,在這裡留下軌跡的粒子。第二個和最後的粒子是什麼呢?
3.
 

答案:
舉一個例子:
Z --> 一個τ+和τ--. 

然後,τ+ --> 一個介子+和微中子
τ- --> 一個重子和微中子,

或具相反符號。
4.
 

答案:
相同地, Z --> 一個τ+和τ-

然後,τ+ --> 一個介子+和微中子

τ- --> 一個重子和微中子,或具相反符號。
5.
 

答案:
Z粒子變成一個夸克及其反夸克在強作用力場的能量產生更多的夸克-反夸克對然後形成強子。
強場如何產生夸克?
請參閱:是什麼使它結合在一起?----夸克的限制
6.
 


答案:
如同在第五項所發生的除了具輻射性的膠子所引起第三群粒子
數據的電腦重建

在碰撞事件中,偵測器記錄了數以百萬計的點數據。因此,需要使用電腦來讀這些數據,計算出最有可能的粒子路徑及衰變,還有與預期行為相異的地方。
這是質子與反質子碰撞事件的電腦重建圖,此事件產生了電子正子對以及其他許多粒子。這特殊事件,以及其他類似事件,證明了Z玻色子的存在,而Z玻色子是產生頂夸克的碰撞事件所需的仲介粒子。
透過類似這樣的事件分析,物理學家已經找到標準模型I的證據。
夸克/膠子 事件
在這些圖中,垂直螢幕的正子電子束相遇,然後湮滅。產生的夸克與反夸克結合後產生介子與重子,他們的軌跡如下。
介子與重子:
請參閱:世界是由什麼構成的?---強子, 重子, 和介子 

在左邊,由一個夸克,它的反夸克,和一個膠子創始的三簇軌跡證明了膠子的存在。在右邊,兩簇緊接的粒子軌跡是由一個夸克和它的反夸克開創的。
結語
現在你已經看過用來檢查支持標準模型的實驗證據的技巧。
總而言之,物理學家用加速器探究粒子的構造。偵測器收集數據,然後由電腦分析數據,最後再交給人分析。



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