費曼圖與散射

亮度 × 截面 = 速率(luminosity x cross-section = rate)

假設你想預測自己能釣到多少條魚。這歸結為兩件事:你的網周圍魚群有多密(有多擁擠、游過的速度有多快),以及每條游過的魚真正被捕到的可能性有多大。把這兩者相乘,就得到你的漁獲速率。對撞機物理學正好具有這種結構,它被凝練在這個領域最常被引用的關係式之一裡:有趣事件的速率等於亮度乘以截面。

每個因子都含義清晰。截面是你所關心的那個反應「每次碰撞」的可能性——由理論提供,是一個有效靶面積。亮度則是機器的本職:它衡量束流裡擠了多少粒子、它們交會得有多緊密、多頻繁,單位是每單位面積每單位時間送出的碰撞數。兩者相乘,面積約掉,剩下一個速率——每秒的事件數。把整個運行期間的亮度累加起來,就得到積分亮度(以靶恩的倒數,或更實用的飛靶恩的倒數為單位);把它乘以截面,就得到你預期已經採集到的事件總數。

這個小小的方程,是每一項對撞機實驗的財務計劃。想要更多某個稀有過程,比如希格斯玻色子?你無法改變它的截面——那是大自然定下的——所以你只能提高亮度,這正是為什麼建造越來越明亮的束流,和建造能量越來越高的束流同等重要。而且它是雙向的:通過數清你實際看到了多少個已知過程的事件、再除以亮度,實驗者就能測出一個截面,隨後拿它與理論比對,以檢驗標準模型,或搜尋新東西。

如果大型強子對撞機送出100飛靶恩倒數的積分亮度,而某個過程的截面是1飛靶恩,那你預期總共會有大約100個這樣的事件。這正是實驗者規劃一次搜尋的方式:先定下一個目標事件數,再向機器要求足夠的亮度去達到它。

100飛靶恩倒數乘以1飛靶恩,約等於100個事件。

亮度由機器決定,截面由自然決定:你無法提高一個過程的截面,所以採集稀有事件意味著要建造更明亮的束流,而不只是能量更高的束流。

又稱
the master relation of collidersevent rate formula对撞机基本关系式對撞機基本關係式