难题：事件早已结束
到现在你已经清楚一场高能碰撞里会飞出些什么：一片粒子的喷洒，其中大多并非基本粒子，而是寿命极短的强子喷注，有的以接近光速的速度射开，有的还没飞过一根头发丝的宽度就在途中衰变了。整场戏在远不到十亿分之一秒内、在一个比原子还小的区域里就落幕了。没有人“看着”它发生。于是定义了这整一阶的问题，简单得近乎尴尬：当有趣的物理在任何仪器可能做出反应之前就已结束，我们究竟怎么知道当时有过什么？
诚实的回答是：我们从不“看见”碰撞本身，也从不像你看见桌上一枚硬币那样看见一个粒子。粒子远比可见光的波长还小，所以从本领域第一篇指南起，“用眼睛看”就已经出局了。一台粒子探测器做的，是另一回事——它是法证式的。它用一层又一层物质把碰撞点团团围住，等着每一个逃逸的粒子在向外冲的途中，在那些物质里留下指纹。事后，我们再凭这些留下的痕迹把整起事件重建出来，就跟侦探不是靠亲眼目睹、而是靠脚印和一扇破窗去还原一桩案子一模一样。
四条线索就够了：能量、动量、电荷、身份
把工程的部分都剥掉，一台探测器自始至终想做的，不过是为飞出来的每一个粒子钉死四个数。它带了多少动量——也就是它跑得有多猛。它带了多少能量。它的电荷是什么——正、负，还是没有。再由这些、外加几个额外的小花招，定出它的身份——它是电子、是μ子、是光子，还是强子喷注里的一块碎片？把喷洒里每一个粒子的这四样都拿到手，你实际上就得到了这场碰撞的完整快照。本阶余下的内容，无非是讲清楚每一样究竟是用什么巧妙的物理测出来的。
这四样并不是四个互不相干的愿望；它们被你在“基础”阶遇到过的那条主方程——能量-动量关系——缝在了一起。如果你能分别测出一个粒子的动量和它的能量，同一条方程就会把它的质量交到你手上——而质量是身份最可靠的那一枚指纹，因为它是每一种粒子固定不变的属性。比如说，测得动量为 50 GeV/c、能量也为 50 GeV，意味着这个粒子的静止质量基本为零——是光子或电子；而同样的动量若配上一个明显更大的能量，就泄露出某个有分量的家伙。探测器测的是线索；方程把线索换算成一个名字。
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带电粒子如何出卖自己
下面这个物理效应，是一切的根基。一个带有电荷的粒子，无法悄无声息地穿过物质。当它从沿途的原子旁掠过时，它的电场会去拽那些原子的电子，并一次又一次地把电子撞松——它使原子电离，在身后留下一串被释放出来的电子和带电的残骸。这就是电离径迹，也是整个领域里挑大梁的那个信号。每一记小小的撞击都要花掉粒子一丝能量，所以一个带电粒子在穿过材料时，是在持续而温和地把能量一点点渗漏进去。把那些被释放的电子显现出来——化作气泡、化作火花、化作被一根金属丝或一块芯片收集到的微小电脉冲——你就把这个粒子的路径画了出来。
现在给整套装置加上一个磁场，径迹就不再是一条直线了。一个带电粒子在磁场中运动时会发生偏转，偏转的程度取决于它的动量：动量低的粒子绕成又紧又小的圈，动量高的几乎不怎么弯。弯曲的方向则告诉你电荷的正负——正电荷往一边弯，负电荷往另一边。所以单单一条被拍下并测量过的弯曲径迹，就一下子把四条线索里的两条交到你手上：弯的朝向给出电荷，弯的半径给出横动量。这正是磁谱仪的核心所在，也是为什么你日后见到的几乎每一台探测器，都被裹在一块巨大的磁铁里。
把探测器看成一颗洋葱
没有哪一台单独的仪器能一口气把四条线索全测了，所以一台现代通用探测器，是被造成一组层层相套的壳——像一颗裹住碰撞点的洋葱。每一层壳都是一种针对某一项任务专门调校过的探测器，而一个向外疾飞的粒子，会按一种刻意安排的次序依次穿过它们——先做温和的测量，破坏性的留到最后。其中的精妙之处在于：当一个粒子穿过每一层之后，“哪些层有反应、哪些层始终漆黑”这一图样，本身就是这个粒子的身份。你并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开了哪几道门。
- 最里层：径迹器。又薄又轻的硅径迹层紧贴碰撞点而坐，记录下弯曲的电离径迹却几乎不吸收能量——它在几乎不打扰粒子的同时，量出了动量与电荷。
- 再往外：量能器。一整块块致密的材料——即量能器——它存心要把电子、光子和强子彻底拦停，把它们的全部能量吸收下来，再以一场可测量的“簇射”读出。这是有意为之的破坏：粒子在这里“殒命”，好让它的能量能被一一数清。
- 最外层：μ子室。几乎没有什么能从量能器里活着出来——除了μ子，它会径直穿透过去。所以任何一条在最外围的μ子探测器里重新现身的径迹，靠排除法就能断定是μ子：靠“谁还站着”来定身份。
把这个次序倒过来当成一棵决策树来读，你就在一条公式都不用的情况下，掌握了粒子鉴别的基本要领。一条在硅里出现、却把全部能量都倾倒在第一层致密材料里、随后便消失的径迹，是电子或光子（光子不留径迹却照样形成簇射——这份“缺席”本身就是一条线索）。一条以一团乱糟糟的喷洒犁过量能器的径迹，属于某个强子喷注。一条挺过了一切、还点亮了最外层那些室的径迹，是μ子。而一个真正隐形的粒子——中微子——则用“什么都没留下”，留下了所有线索里最雄辩的那一条。
捕捉隐形者，以及这套戏法的极限
一个什么痕迹都不留的东西，你要怎么测量它？你用记账的办法。在一场碰撞里，垂直于束流方向的总动量必须平衡到零，因为一开始这个方向上就没有动量。所以当探测器把每一个可见粒子都称量、追踪完之后，你把它们所有横向的动量加起来。如果这笔账没平——如果账本上有一个朝某个方向的窟窿——那就一定有什么东西悄无声息地把那份动量带走了。这种不平衡叫作丢失横能量，它正是我们探测中微子的方式：不是靠抓住它们，而是靠抓住它们的“缺席”。这同样也正是我们若要首次瞥见某些种类的暗物质（如果它们真会被产生出来）所用的办法。
要诚实地说清这套戏法在哪里会失灵。探测器从不完美地测准一个粒子；每一条线索都带着一段误差，而这些误差对某些粒子比对另一些更大——量能器只能粗略地称量一团强子喷注，却能把电子的能量钉得很准。动量极低的粒子会卷成小圈，永远逃不出径迹器。几乎沿着束流管笔直飞出的粒子会溜走、量不到，而这正是我们之所以在横向、而非沿束流方向去平衡动量的全部缘由。还有，没有任何探测器能直接看见一个夸克或一个胶子——色禁闭保证了它们必先把自己“装扮”成强子喷注，所以我们记录到的，永远是事后的余波，而绝不是那个赤裸的带色粒子本身。