探測器與儀器

雲室、泡室與乳膠(cloud chamber, bubble chamber, and emulsion)

在電子學能夠讀出粒子之前,物理學家需要一個真正看見粒子路徑的辦法——把粒子看不見的痕跡變得足夠清晰,好拍下來。三項經典發明恰恰做到了這一點,每一項都讓一個帶電粒子的徑跡顯現為一條你能親眼看見、親手測量的線。它們是雲室、泡室和照相乳膠,它們一起把粒子物理帶過了它發現的黃金時代。

每一種都以不同的方式讓電離痕跡現形。雲室盛著一團瀕臨凝結成霧的氣體;一個帶電粒子經過時留下的離子,成為微小水滴凝結的種子,畫出一條細細的白色霧跡。泡室則用一團剛剛越過沸點的液體(通常是液氫)反其道而行;沿著離子痕跡,微小的氣泡形成,並在它們長大之前被拍下——在一種同時充當碰撞靶的材料裡,給出更密、更銳利的徑跡。照相乳膠是一種厚厚的照相膠片,帶電粒子的經過曝光出一條顆粒線,沖洗之後能在顯微鏡下以極高的空間精度被追描。在磁場中,這些徑跡的彎曲給出動量,它們的密度給出關於身份的線索。

這些裝置帶來了奠基性的發現:正電子和緲子最早是在雲室裡被發現的,許多奇異粒子是在乳膠和泡室裡被發現的,而泡室那些優美的螺旋照片定義了這個領域的視覺語言。它們決定性的侷限、也是它們退役的原因,在於速度和選擇性。得由人逐張掃描照片,而且沒法吩咐這種裝置只記錄有趣的事件。能夠每秒檢視上百萬次碰撞、只留下罕見那幾次的電子探測器和觸發系統,使這些優雅的室在前沿工作中過時了——儘管雲室至今仍是絕佳的教學工具。

1932年,卡爾·安德森拍下一條雲室徑跡,它彎曲的方向對電子來說反了,卻又有著電子那般的輕——這就是反電子,即正電子,是被拍進膠片的反物質。此後幾十年的泡室照片,用新發現粒子的捲曲徑跡填滿了教科書。

正電子是作為照片上的一條彎線被發現的。

這些裝置退役,不是因為它們看得不好,而是因為它們太慢、又無法被觸發以只留下罕見事件——而這恰恰是電子探測器所能做到的。

又稱
Wilson cloud chamberGlaser bubble chamberphotographic emulsion云室泡室