费曼图与散射

亮度 × 截面 = 速率(luminosity x cross-section = rate)

假设你想预测自己能钓到多少条鱼。这归结为两件事:你的网周围鱼群有多密(有多拥挤、游过的速度有多快),以及每条游过的鱼真正被捕到的可能性有多大。把这两者相乘,就得到你的渔获速率。对撞机物理学正好具有这种结构,它被凝练在这个领域最常被引用的关系式之一里:有趣事件的速率等于亮度乘以截面。

每个因子都含义清晰。截面是你所关心的那个反应「每次碰撞」的可能性——由理论提供,是一个有效靶面积。亮度则是机器的本职:它衡量束流里挤了多少粒子、它们交会得有多紧密、多频繁,单位是每单位面积每单位时间送出的碰撞数。两者相乘,面积约掉,剩下一个速率——每秒的事件数。把整个运行期间的亮度累加起来,就得到积分亮度(以靶恩的倒数,或更实用的飞靶恩的倒数为单位);把它乘以截面,就得到你预期已经采集到的事件总数。

这个小小的方程,是每一项对撞机实验的财务计划。想要更多某个稀有过程,比如希格斯玻色子?你无法改变它的截面——那是大自然定下的——所以你只能提高亮度,这正是为什么建造越来越明亮的束流,和建造能量越来越高的束流同等重要。而且它是双向的:通过数清你实际看到了多少个已知过程的事件、再除以亮度,实验者就能测出一个截面,随后拿它与理论比对,以检验标准模型,或搜寻新东西。

如果大型强子对撞机送出100飞靶恩倒数的积分亮度,而某个过程的截面是1飞靶恩,那你预期总共会有大约100个这样的事件。这正是实验者规划一次搜寻的方式:先定下一个目标事件数,再向机器要求足够的亮度去达到它。

100飞靶恩倒数乘以1飞靶恩,约等于100个事件。

亮度由机器决定,截面由自然决定:你无法提高一个过程的截面,所以采集稀有事件意味着要建造更明亮的束流,而不只是能量更高的束流。

又称
the master relation of collidersevent rate formula对撞机基本关系式對撞機基本關係式