探測器與儀器

粒子鑑別(particle identification)

/ PID = pee-eye-dee /

假設黑暗中有兩輛車開過,你能測出每輛的速度和方向,卻看不清車標。你怎麼把跑車和卡車分開?你會去找蛛絲馬跡——引擎聲、重量、過彎的樣子。粒子鑑別就是對亞原子粒子做的同樣的偵探工作。許多粒子留下相似的徑跡、相似的能量沉積,所以要判定每一個究竟是哪一種——電子、緲子、介子、K介子、質子——就需要把好幾條獨立的線索綜合起來。

物理學家有一套鑑別方法的工具箱,每一種都利用一種不同的物理效應。電離能量損失(常寫作dE/dx)測量一個粒子每厘米電離多少,這取決於它的速度,因而結合動量就取決於它的質量。飛行時間測量一個粒子走過一段已知距離所花的時間;在動量相同時,較重的粒子走得較慢、到得較晚。切倫科夫輻射只有當粒子超過介質中的光速時才產生光,其閾值和角度都取決於速度。穿越輻射主要出現在最輕、最快的粒子身上,有助於挑出電子。再加上能量沉積位置的模式:電子在電磁量能器裡簇射,緲子一路穿透到最外層的緲子室,強子則在更靠後的強子量能器裡簇射。

沒有任何單一測量能確鑿地給一個粒子定名;鑑別是證據的權衡,把來自磁譜儀的動量與上述一種或多種特徵結合起來。這正是通用探測器要建成互補層次的原因。誠實的提醒:粒子鑑別是機率性的,並非完美。一個快速的K介子和一個快速的介子看起來可能幾乎一樣,實驗必須報告它們把一者誤認為另一者的頻率,這是一種效率與誤判之間的權衡,在精密測量中舉足輕重。

拿一條已測出動量的徑跡來說。如果它把能量沉積在電磁量能器裡,它很可能是電子;如果它穿過一切、在最外層的室裡留下訊號,它就是緲子;如果切倫科夫探測器表明它比同動量的介子走得更慢,它多半是K介子。

身份來自線索的綜合,絕不來自任何單一一條。

粒子鑑別是機率性的:相似的快速粒子可能被混淆,所以實驗總會給出一個鑑別效率和一個誤判率。

又稱
PID粒子鉴别粒子鑑別