探測器與儀器

量能器(calorimeter)

/ cal-or-IM-eter /

一個粒子帶著多少能量?一種弄清楚的辦法是把它徹底攔停,再測量它在這個過程中傾倒出多少能量——這很像你可以憑一隻被扔出的球在軟陶土上砸出多深的坑,來估量它的能量。量能器對粒子做的正是這件事:它是一大塊材料,專門設計來把一個粒子完全吸收,並把它沉積的能量轉化成可測量的訊號。和盡量不去擾動粒子的徑跡探測器不同,量能器的全部目的就是攔停粒子、把它攜帶的一切都吸乾。

當一個高能粒子撞進緻密材料時,它並不只是簡單地停下來;它會引發一場級聯。一個電子或光子撞上重材料,會產生更多的光子和正負電子對,這些又產生更多,堆疊成一場叫電磁簇射的雪崩。像質子或介子這樣的強子則引發一場更雜亂的核級聯,即強子簇射。無論哪種情形,原始的能量都被分攤給一群越來越多的低能粒子,量能器探測這些粒子——往往是憑它們產生的微弱光(閃爍)或電離;總訊號正比於入射能量。因此探測器會依次使用兩種:一台調校來吸收電子和光子的電磁量能器,以及它後面一台尺寸足以容納強子那更深、更龐大簇射的強子量能器。

量能器之所以不可或缺,是因為它測量徑跡探測器無法測量的東西——總能量——而且關鍵在於,它對中性粒子同樣有效。一個光子或一個中子不留徑跡,但它照樣會簇射、會沉積能量,所以量能器看得見它。一個關於精度的有用提醒:量能器的能量解析度隨能量提升而變好(粒子越有能量,相對誤差越小),這與徑跡探測器的趨勢恰好相反——後者在極高能量下動量測量反而變差。兩者是互補的,這正是一台完整探測器同時使用二者的原因。

當人們發現希格斯玻色子衰變成兩個光子時,那兩個光子根本不留徑跡。它們之所以被看見,只因為每一個都撞進了電磁量能器、引發了一場簇射、沉積了它的全部能量——這才讓物理學家重建出這對光子的合併質量,認出希格斯。

攔停粒子、清點簇射,你就得到了它的能量。

與直覺相反,能量越高,量能器測量能量反而越精確——這與磁譜儀式徑跡探測器相反,後者在極高能量下動量測量反而變差。

又稱
caloelectromagnetic calorimeterhadronic calorimeter量能器電磁/強子量能器