難題：事件早已結束
到現在你已經清楚一場高能碰撞裡會飛出些什麼：一片粒子的噴灑，其中大多並非基本粒子，而是壽命極短的強子噴注，有的以接近光速的速度射開，有的還沒飛過一根頭髮絲的寬度就在途中衰變了。整場戲在遠不到十億分之一秒內、在一個比原子還小的區域裡就落幕了。沒有人「看著」它發生。於是定義了這整一階的問題，簡單得近乎尷尬：當有趣的物理在任何儀器可能做出反應之前就已結束，我們究竟怎麼知道當時有過什麼？
誠實的回答是：我們從不「看見」碰撞本身，也從不像你看見桌上一枚硬幣那樣看見一個粒子。粒子遠比可見光的波長還小，所以從本領域第一篇指南起，「用眼睛看」就已經出局了。一台粒子探測器做的，是另一回事——它是法證式的。它用一層又一層物質把碰撞點團團圍住，等著每一個逃逸的粒子在向外衝的途中，在那些物質裡留下指紋。事後，我們再憑這些留下的痕跡把整起事件重建出來，就跟偵探不是靠親眼目睹、而是靠腳印和一扇破窗去還原一樁案子一模一樣。
四條線索就夠了：能量、動量、電荷、身份
把工程的部分都剝掉，一台探測器自始至終想做的，不過是為飛出來的每一個粒子釘死四個數。它帶了多少動量——也就是它跑得有多猛。它帶了多少能量。它的電荷是什麼——正、負，還是沒有。再由這些、外加幾個額外的小花招，定出它的身份——它是電子、是μ子、是光子，還是強子噴注裡的一塊碎片？把噴灑裡每一個粒子的這四樣都拿到手，你實際上就得到了這場碰撞的完整快照。本階餘下的內容，無非是講清楚每一樣究竟是用什麼巧妙的物理測出來的。
這四樣並不是四個互不相干的願望；它們被你在「基礎」階遇到過的那條主方程——能量-動量關係——縫在了一起。如果你能分別測出一個粒子的動量和它的能量，同一條方程就會把它的質量交到你手上——而質量是身份最可靠的那一枚指紋，因為它是每一種粒子固定不變的屬性。比如說，測得動量為 50 GeV/c、能量也為 50 GeV，意味著這個粒子的靜止質量基本為零——是光子或電子；而同樣的動量若配上一個明顯更大的能量，就洩露出某個有分量的傢伙。探測器測的是線索；方程把線索換算成一個名字。
E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2
measure p (from a bent track) + measure E (from a calorimeter)
--> solve for m --> the particle's identity帶電粒子如何出賣自己
下面這個物理效應，是一切的根基。一個帶有電荷的粒子，無法悄無聲息地穿過物質。當它從沿途的原子旁掠過時，它的電場會去拽那些原子的電子，並一次又一次地把電子撞鬆——它使原子電離，在身後留下一串被釋放出來的電子和帶電的殘骸。這就是電離徑跡，也是整個領域裡挑大梁的那個信號。每一記小小的撞擊都要花掉粒子一絲能量，所以一個帶電粒子在穿過材料時，是在持續而溫和地把能量一點點滲漏進去。把那些被釋放的電子顯現出來——化作氣泡、化作火花、化作被一根金屬絲或一塊晶片收集到的微小電脈衝——你就把這個粒子的路徑畫了出來。
現在給整套裝置加上一個磁場，徑跡就不再是一條直線了。一個帶電粒子在磁場中運動時會發生偏轉，偏轉的程度取決於它的動量：動量低的粒子繞成又緊又小的圈，動量高的幾乎不怎麼彎。彎曲的方向則告訴你電荷的正負——正電荷往一邊彎，負電荷往另一邊。所以單單一條被拍下並測量過的彎曲徑跡，就一下子把四條線索裡的兩條交到你手上：彎的朝向給出電荷，彎的半徑給出橫動量。這正是磁譜儀的核心所在，也是為什麼你日後見到的幾乎每一台探測器，都被裹在一塊巨大的磁鐵裡。
把探測器看成一顆洋蔥
沒有哪一台單獨的儀器能一口氣把四條線索全測了，所以一台現代通用探測器，是被造成一組層層相套的殼——像一顆裹住碰撞點的洋蔥。每一層殼都是一種針對某一項任務專門調校過的探測器，而一個向外疾飛的粒子，會按一種刻意安排的次序依次穿過它們——先做溫和的測量，破壞性的留到最後。其中的精妙之處在於：當一個粒子穿過每一層之後，「哪些層有反應、哪些層始終漆黑」這一圖樣，本身就是這個粒子的身份。你並不需要拍下粒子的照片；你只需要知道它在向外走的途中推開了哪幾道門。
- 最裡層：徑跡器。又薄又輕的矽徑跡層緊貼碰撞點而坐，記錄下彎曲的電離徑跡卻幾乎不吸收能量——它在幾乎不打擾粒子的同時，量出了動量與電荷。
- 再往外：量能器。一整塊塊緻密的材料——即量能器——它存心要把電子、光子和強子徹底攔停，把它們的全部能量吸收下來，再以一場可測量的「簇射」讀出。這是有意為之的破壞：粒子在這裡「殞命」，好讓它的能量能被一一數清。
- 最外層：μ子室。幾乎沒有什麼能從量能器裡活著出來——除了μ子，它會徑直穿透過去。所以任何一條在最外圍的μ子探測器裡重新現身的徑跡，靠排除法就能斷定是μ子：靠「誰還站著」來定身份。
把這個次序倒過來當成一棵決策樹來讀，你就在一條公式都不用的情況下，掌握了粒子鑑別的基本要領。一條在矽裡出現、卻把全部能量都傾倒在第一層緻密材料裡、隨後便消失的徑跡，是電子或光子（光子不留徑跡卻照樣形成簇射——這份「缺席」本身就是一條線索）。一條以一團亂糟糟的噴灑犁過量能器的徑跡，屬於某個強子噴注。一條挺過了一切、還點亮了最外層那些室的徑跡，是μ子。而一個真正隱形的粒子——微中子——則用「什麼都沒留下」，留下了所有線索裡最雄辯的那一條。
捕捉隱形者，以及這套戲法的極限
一個什麼痕跡都不留的東西，你要怎麼測量它？你用記帳的辦法。在一場碰撞裡，垂直於束流方向的總動量必須平衡到零，因為一開始這個方向上就沒有動量。所以當探測器把每一個可見粒子都稱量、追蹤完之後，你把它們所有橫向的動量加起來。如果這筆帳沒平——如果帳本上有一個朝某個方向的窟窿——那就一定有什麼東西悄無聲息地把那份動量帶走了。這種不平衡叫作丟失橫能量，它正是我們探測微中子的方式：不是靠抓住它們，而是靠抓住它們的「缺席」。這同樣也正是我們若要首次瞥見某些種類的暗物質（如果它們真會被產生出來）所用的辦法。
要誠實地說清這套戲法在哪裡會失靈。探測器從不完美地測準一個粒子；每一條線索都帶著一段誤差，而這些誤差對某些粒子比對另一些更大——量能器只能粗略地稱量一團強子噴注，卻能把電子的能量釘得很準。動量極低的粒子會捲成小圈，永遠逃不出徑跡器。幾乎沿著束流管筆直飛出的粒子會溜走、量不到，而這正是我們之所以在橫向、而非沿束流方向去平衡動量的全部緣由。還有，沒有任何探測器能直接看見一個夸克或一個膠子——色禁閉保證了它們必先把自己「裝扮」成強子噴注，所以我們記錄到的，永遠是事後的餘波，而絕不是那個赤裸的帶色粒子本身。