靠撞东西来弄清它们是什么
到了这一阶梯，你已经握有整套机器。你能把一张费曼图读成一个故事：入射粒子与出射粒子在中间交换着什么；你也知道，把振幅平方、再叠上相空间里那点活动余地，就得到一个截面——一个反应所呈现的有效靶面积。本篇把这份计算能力朝外转，对准实验本身。因为这是物理学里最古老的把戏：当你打不开一样东西时，你就朝它扔东西，看它们如何弹回来。散射正是这把戏，被打磨成我们看清那些小到看不见之物的最锐利的工具。
对任何一场碰撞要问的头一个大问题，简单得近乎粗暴：出来的东西，和进去的东西，是同一批吗？如果两个质子进去，又是同样这两个质子出来，只是改了方向，那是一类事件。如果它们进去，出来的却是一蓬全新的粒子，那就完全是另一回事了。这一个是与否——同样的演员，还是新的演员？——就是弹性散射与非弹性散射之间的分界线，也是每一次解读碰撞的起点。
弹性与非弹性：演员变了吗？
在弹性散射中，相撞的粒子毫发无损地存活下来，只是带着重新安排过的方向和能量离开——就像两颗台球咔哒一声弹开。在日常意义上，总动能守恒，而关键在于：碰撞前后的粒子本身是同一批。卢瑟福著名的金箔实验就是弹性的：阿尔法粒子从原子核上弹开、飞走时仍是阿尔法粒子，但那些罕见的大角度反弹揭示出，原子的正电荷集中在一个极小而致密的核里，而非弥散开来。弹性散射在「身份」上很温和，却仍能就形状与大小给出锐利的信息。
在非弹性散射中，演员变了。入射动能里有一部分不再以运动的形式保留下来——它通过质能等价（让 E = mc 平方 真正派上用场）转化为新粒子的静止质量，或被用来把靶激发到一个更重、寿命更短的状态。把两个质子撞得够狠，你能得到原来的两个质子再外加一个新铸的π介子；再灌进更多能量，你就造出整蓬整蓬的强子。这里没有无中生有：能量不过是在为质量买单。存在一个最小碰撞能量，即阈能，低于它，某个给定的新粒子根本无法出现——你铸不出一枚你买不起的硬币。
elastic: p + p -> p + p inelastic: p + p -> p + p + pi0 (energy bought a new pion)
深度非弹性散射：质子并非实心
现在把非弹性散射推向极端。20世纪60年代末，物理学家在SLAC把极高能量的电子直直地射进质子。回想那条规律——高能束流就是显微镜：能量越高，探针的波长越短，于是一束凶猛的电子流能分辨出靶内部越来越小的距离。当电子撞得够狠，它们便不只是轻推质子——而是撕进它的深处，把它击碎成一蓬新粒子。这就是深度非弹性散射：深，指的是高能量、短距离；非弹性，指的是质子没能存活。
意外之处在于电子大角度反弹的频率。如果质子的电荷是一团松软、弥散的斑块，那么几乎每个电子都会只带着小小的偏折滑掠而过。然而，出人意料地有大量电子以陡峭的角度被弹回——这正是卢瑟福当年在原子核身上见过的那个标志性信号，如今又深了一层。质子的电荷并非平滑铺开；它集中在内部一些微小、坚硬、点状的小团里。电子是从质子的「碎片」上弹开，而不是从整个质子上弹开。
那些点状的碎片，正是夸克（以及把它们捆在一起的胶子），这是质子为复合而非基本粒子的第一份有力实验证据。质子内部各成分如何分摊它的动量，如今由部分子分布函数来刻画——一张描述「在质子里找到某个夸克或胶子、且它恰好携带质子动量某一份额」的概率图。有一处微妙之处值得诚实点明：质子的质量绝大部分根本不是那三个夸克的质量。它是把夸克禁闭起来的那个翻腾的强相互作用场的能量——是量子色动力学的束缚能，而非希格斯——这与夸克自身那（很小的）质量从何而来，是非常不同的两回事。
三种剧情：s、t与u通道
回到理论家的座位。两个粒子进来，两个出去——而把它们连起来的图，往往不止一种接法。物理学家把主要的几种接法命名为s通道、t通道与u通道。把它们想成同一批演员的三种不同剧情。在s通道里，两个入射粒子先合并成一个单一的中间体，再分裂回那对出射粒子——它们融合、作为一体短暂停留、再重新分出。在t通道里，粒子从不融合；它们相互滑掠而过，朝彼此之间的缝隙抛出点什么，就像两个溜冰者交换一只球。u通道是t通道的孪生兄弟，当两个出射粒子完全相同、你必须把它们角色互换的那个版本也算进来时，就用得上它。
这些名字来自曼德尔斯坦变量s、t、u，也就是你在学习「不挑参考系地描述碰撞」时见过的那三个利落的、由能量和动量构成的不变组合。每个通道由其中一个主导：s通道由s主导（碰撞的总能量平方），t通道由t主导（与横向转移的动量有关）。用变量给通道命名，不过是一种记账法，让你一眼就看出是哪个量在掌控中间那条线的行为。
这些通道并不是相互竞争的「真实」——它们是你必须加在一起的不同贡献。当同一组入射与出射粒子既能通过s通道、又能通过t通道的图来达成时，振幅的规则要求你在平方*之前*把这些图加起来，于是不同剧情之间可以发生干涉。s通道里藏着一场特别的戏：当碰撞能量恰好落在某个真实中间粒子的质量上时，s通道的贡献猛然激增，你就看到一个共振——截面上一个尖锐的峰，宣告着一个粒子想要诞生。这，确确实实，就是许多粒子被发现的方式。
从一次弹跳到一次测量
把这些拼到一起，你就得到了整个领域运转的工作回路。理论家为一个过程画出图——挑对通道、把它们加起来、平方、叠上相空间——算出一个预言的截面。实验家随后让束流对撞，数清那类事件实际发生了多少次，再除掉亮度（束流有多强），便读出测得的截面。理论交出一个数；实验回敬一个数；这门学问的存亡，就系于两者是否相符。
请始终记着一点诚实。这些通道内部的中间线——s通道里那个融合的团块、t通道里那个被抛出的对象——都是虚粒子：一种计算手段、一条内部的记账线，从不是你能在探测器里抓到的东西。被观测到的，只有外线，也就是进出过程的真实粒子。共振峰是一条虚线最接近宣称自己为真的时刻，可即便那时，你测到的也是它所塑造的截面，而非那条线本身。散射之所以强大，恰恰因为它在这一点上始终自律：它预言并测量概率，让那些不可观测的内部机制安静地在数学里干活。