粒子鉴别(particle identification)
/ PID = pee-eye-dee /
假设黑暗中有两辆车开过,你能测出每辆的速度和方向,却看不清车标。你怎么把跑车和卡车分开?你会去找蛛丝马迹——引擎声、重量、过弯的样子。粒子鉴别就是对亚原子粒子做的同样的侦探工作。许多粒子留下相似的径迹、相似的能量沉积,所以要判定每一个究竟是哪一种——电子、缪子、介子、K介子、质子——就需要把好几条独立的线索综合起来。
物理学家有一套鉴别方法的工具箱,每一种都利用一种不同的物理效应。电离能量损失(常写作dE/dx)测量一个粒子每厘米电离多少,这取决于它的速度,因而结合动量就取决于它的质量。飞行时间测量一个粒子走过一段已知距离所花的时间;在动量相同时,较重的粒子走得较慢、到得较晚。切伦科夫辐射只有当粒子超过介质中的光速时才产生光,其阈值和角度都取决于速度。穿越辐射主要出现在最轻、最快的粒子身上,有助于挑出电子。再加上能量沉积位置的模式:电子在电磁量能器里簇射,缪子一路穿透到最外层的缪子室,强子则在更靠后的强子量能器里簇射。
没有任何单一测量能确凿地给一个粒子定名;鉴别是证据的权衡,把来自磁谱仪的动量与上述一种或多种特征结合起来。这正是通用探测器要建成互补层次的原因。诚实的提醒:粒子鉴别是概率性的,并非完美。一个快速的K介子和一个快速的介子看起来可能几乎一样,实验必须报告它们把一者误认为另一者的频率,这是一种效率与误判之间的权衡,在精密测量中举足轻重。
拿一条已测出动量的径迹来说。如果它把能量沉积在电磁量能器里,它很可能是电子;如果它穿过一切、在最外层的室里留下信号,它就是缪子;如果切伦科夫探测器表明它比同动量的介子走得更慢,它多半是K介子。
身份来自线索的综合,绝不来自任何单一一条。
粒子鉴别是概率性的:相似的快速粒子可能被混淆,所以实验总会给出一个鉴别效率和一个误判率。