量能器(calorimeter)
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一个粒子带着多少能量?一种弄清楚的办法是把它彻底拦停,再测量它在这个过程中倾倒出多少能量——这很像你可以凭一只被扔出的球在软陶土上砸出多深的坑,来估量它的能量。量能器对粒子做的正是这件事:它是一大块材料,专门设计来把一个粒子完全吸收,并把它沉积的能量转化成可测量的信号。和尽量不去扰动粒子的径迹探测器不同,量能器的全部目的就是拦停粒子、把它携带的一切都吸干。
当一个高能粒子撞进致密材料时,它并不只是简单地停下来;它会引发一场级联。一个电子或光子撞上重材料,会产生更多的光子和正负电子对,这些又产生更多,堆叠成一场叫电磁簇射的雪崩。像质子或介子这样的强子则引发一场更杂乱的核级联,即强子簇射。无论哪种情形,原始的能量都被分摊给一群越来越多的低能粒子,量能器探测这些粒子——往往是凭它们产生的微弱光(闪烁)或电离;总信号正比于入射能量。因此探测器会依次使用两种:一台调校来吸收电子和光子的电磁量能器,以及它后面一台尺寸足以容纳强子那更深、更庞大簇射的强子量能器。
量能器之所以不可或缺,是因为它测量径迹探测器无法测量的东西——总能量——而且关键在于,它对中性粒子同样有效。一个光子或一个中子不留径迹,但它照样会簇射、会沉积能量,所以量能器看得见它。一个关于精度的有用提醒:量能器的能量分辨率随能量提升而变好(粒子越有能量,相对误差越小),这与径迹探测器的趋势恰好相反——后者在极高能量下动量测量反而变差。两者是互补的,这正是一台完整探测器同时使用二者的原因。
当人们发现希格斯玻色子衰变成两个光子时,那两个光子根本不留径迹。它们之所以被看见,只因为每一个都撞进了电磁量能器、引发了一场簇射、沉积了它的全部能量——这才让物理学家重建出这对光子的合并质量,认出希格斯。
拦停粒子、清点簇射,你就得到了它的能量。
与直觉相反,能量越高,量能器测量能量反而越精确——这与磁谱仪式径迹探测器相反,后者在极高能量下动量测量反而变差。