緲子探測器(muon detector)
從一場碰撞中湧出的大多數粒子,會在一兩米之內被攔停——被測量它們能量的量能器吸收掉。但有一種帶電粒子,緲子,卻有一個非凡的習慣:它筆直地犁過這一切,從另一頭鑽出來。緲子探測器正是利用了這一點:它是一台大探測器的最外層,被放在所有吸收材料之外,恰恰因為幾乎唯一能到達這裡的就是緲子。如果一條徑跡一路出到這裡,它就是緲子,由它最終停在何處來鑑別。
為什麼電子或強子過不去,緲子卻能過去?緲子是電子的較重表親,質量約為電子的兩百倍,正因為這個質量,它穿過物質時幾乎不輻射;它也不感受強交互作用,所以不會引發那種攔停強子的核簇射。它只靠電離緩慢地損失能量,因而能穿透好幾米厚的鋼。緲子系統由大面積的徑跡室構成——充氣的管、漂移室或類似的裝置——常常與厚厚的鐵或鋼交錯排布,這些鐵鋼既吸收掉其他一切,又在被磁化時彎曲緲子的路徑,好讓它的動量在這裡、在遠離內層徑跡探測器的地方,再被測量一次。
緲子是粒子物理裡的黃金特徵,因為它們能被乾淨地鑑別、被精確地測量,所以許多里程碑式的成果都依賴它們。CMS裡的「M」就代表緲子,體現出緲子探測對它的設計有多麼核心;而像希格斯玻色子衰變成四個緲子這樣的通道,是最乾淨的發現訊號之一,因為四條清晰的緲子徑跡很難偽造。一個有用的告誡:緲子探測器並不像量能器那樣靠吸收來測量能量——緲子活了下來——所以它的動量來自徑跡在磁場中的彎曲,和其他帶電粒子一樣。
通往希格斯最乾淨的路徑之一,是它衰變成四個緲子。每個緲子在內層探測器裡留下一條徑跡,毫髮無損地穿過兩台量能器,再在最外層的緲子室裡重新現身——四個互相匹配的訊號合在一起,構成一個幾乎不會認錯的特徵。
一條能抵達最外層的徑跡,憑其位置就是緲子。
緲子探測器靠的是緲子的「倖存」來鑑別它們,而不是靠吸收它們;它們的動量仍然來自徑跡在磁場中的彎曲,而非來自量能器。