從性質到數字
在本階段，你已經認識了粒子以及它們攜帶的標籤——電荷、自旋、質量——還有我們用來度量它們的單位。但粒子不是一幅掛在牆上的肖像；它更像一個動詞。粒子會碰撞、會轉化、會分崩離析，而一位真正幹活的物理學家，大部分時間並不是在欣賞粒子，而是在為事件計數。這篇指南講的就是這種計數：三個把躁動不安的次原子世界，變成你可以寫下、可以預言、可以核驗之物的數字。
這三個數字，把一個過程拆成三個老實的問題。一次交互作用究竟有多大可能發生？這就是截面。一個粒子在破裂之前能存活多久？這就是它的壽命。而在它可能選擇的幾條路徑中，它實際上又是朝哪個方向分崩離析的？這就是分支比。把這幾個量摸熟，你幾乎就能讀懂這個領域裡的任何結果——它們正是宣布重大發現時所用的語法。
截面：打扮成面積的概率
想象你蒙著眼，朝一面只別著一個氣球的牆扔飛鏢。你多久能扎破氣球，只取決於一件事：它有多大。一個沙灘球會不停地被扎中；一個小點，則幾乎永遠扎不到。截面恰恰就是這樣一塊有效的靶面積——一個以面積為單位的數，用來表示兩個粒子交互作用的可能性。截面越大，交互作用就越「熱切」。
按日常標準衡量，這些有效面積小得荒唐，於是物理學家把單位的大小定得與之相稱——回想一下次原子世界的尺度，就知道這裡牽涉到多少個零。這個單位是靶恩，大約相當於一個鈾原子核的橫截面積，名字帶著幾分戰時的幽默：擊中這麼大的一個原子核，簡直像擊中穀倉的寬牆面一樣容易。現代對撞機上追獵的那些罕見過程，則以飛靶恩——靶恩的千萬億分之一——甚至更小的單位來度量。靶恩越少，事件就越罕見。
壽命與寬度：一個事實的兩種語言
物理學家造出的大多數粒子都不長久。它們在一次碰撞中誕生，只存在一瞬，隨即衰變成更輕的粒子。所以人們對任何新粒子最先問的問題之一，就是：它能活多久？它的壽命，是它在衰變之前平均能存活的時間。「平均」二字至關重要——衰變是一個真正隨機的量子過程，所以你永遠說不準某一個特定粒子究竟何時離去，只能說出概率，這和放射性樣品的半衰期一模一樣。
壽命跨越驚人的範圍。一個自由中子約活十五分鐘；一個緲子約活兩百萬分之一秒；最重的粒子則不到十億億億分之一秒。但這裡有個難題：對一個存活如此短暫的東西，你根本沒法掐著秒表去計時。巧妙的出路來自不確定性原理。一個短命粒子並沒有一個尖銳的質量——多次測量它，你得到的是一小段質量分布，是一個峰包，而非一根尖刺。這段展寬就是衰變寬度，通常用希臘字母 Γ 來記，而它恰好就是壽命的倒數。
wide width <-> short life narrow width <-> long life lifetime (in seconds) = hbar / width (in energy) hbar ~ 6.6e-16 eV*s
所以寬度和壽命不是兩個事實，而是同一個事實透過兩扇窗戶看到的：寬度用能量的語言說話，壽命用時間的語言說話。比如 Z 玻色子，約活 2.6×10⁻²⁵ 秒——短得無法計時。於是實驗測量它質量峰包的寬度，約 2.5 GeV，再做換算。峰包越寬，壽命越短；峰包尖如針，則壽命越長。
分支比：粒子選擇哪個岔口
壽命告訴你一個粒子衰變得有多快，卻不告訴你它衰變成什麼。一個給定的粒子，通常能以好幾種不同的方式分崩離析——化成不同組的產物——而每條路徑都分到自己的一份衰變。想象一條分出好幾個岔口的路：大多數車直行，少數拐走，幾乎沒有車走那條顛簸的小道。分支比，就是走某一條特定路徑的那一份衰變所佔的比例。按定義，一個粒子所有分支比之和等於一，因為它總得通過某一條道衰變掉。
希格斯玻色子是典型例子。它大約有 58% 的時候衰變成一個底夸克和它的反夸克；有百分之幾走其他衰變道；而只有大約五百分之一的時候——分支比約為 0.2%——衰變成兩個光子。最後這條道很罕見，但希格斯最初被乾淨俐落地觀測到，恰恰就在這裡，因為兩個光子能在本底噪聲中留下清晰、確鑿無誤的信號特徵。一條罕見的路徑，可能反而是最值得盯緊的那一條。
實驗如何把這一切變成數字
一個實驗究竟是如何從探測器裡的閃光，走到一個乾淨的截面或分支比的？這條鏈路與其說戲劇化，不如說步步謹慎。回想一下，截面是「單位束流照射量下的概率」——所以要得到事件的發生率，你要把它乘以兩束粒子相互瞄準的強烈程度，這個量叫亮度。運行足夠久，數清飛出了什麼，再倒著除回去，你就測出了截面。靶恩與累積照射量的「靶恩倒數」相互抵消，剩下一個純粹的計數。
- 讓束流碰撞極其大量的次數，並用層層環繞的探測器記錄下飛濺的碎片。
- 重建每一個事件——追蹤可見的粒子，把它們的能量和動量加起來，找出任何已經衰變掉的短命母粒子。
- 把重建出的質量做成直方圖；一個真實的粒子會顯現為一個峰包，峰的位置是它的質量，峰的寬度是它的衰變寬度。
- 數清每條衰變道裡的事件，截面就除以亮度、分支比就除以總數，再與標準模型的預言相比較。
最後還有一處誠實之言，而且很美。許多短命粒子誕生時幾乎以光速運動，而探測器看到什麼，相對論是有發言權的。通過時間膨脹，一個高速粒子在實驗室裡看上去比它靜止時活得更久——這正是高空大氣中誕生的緲子能撐過下落到地面這段旅程的唯一原因，也是為什麼即便轉瞬即逝的粒子，也能在衰變前飛過一段可測量的距離。通往下一階段的這座橋，正是這些數字的意義所在：它們不是抽象概念，而是一本實實在在的帳本，讓理論得以預言、讓實驗得以確認自然究竟在做什麼。