粒子物理学

粒子加速器与对撞机实验

加速器利用电场赋予粒子能量；探测器综合径迹、能量和μ子信号重建碰撞并检验物理模型。

直线加速器使用时变射频腔；同步加速器用磁铁弯转并聚焦循环束流。电场对带电粒子做功；理想磁场只改变其方向而不增加动能。

\Delta K=q\int\mathbf{E}\cdot d\mathbf{l},\qquad \sqrt{s}=2E_{\mathrm{beam}}\quad(\text{collider, equal beams})

定义: 碰撞能量与质心能量

两个能量均为 $E$ 的束流正面对撞时，质心能量为 $\sqrt{s}=2E$ （高能时忽略粒子质量）。固定靶碰撞中较多能量用于质心运动，质心能量利用率较低。不稳定粒子由其衰变产物推断，而非直接观察。

旋转径迹探测器、电磁/强子量能器和μ子室，切换粒子比较示意信号。μ子穿透深；电子/光子产生电磁簇射；强子产生强子簇射。

解读探测器信号

硅径迹探测器测量磁场中的带电粒子轨迹，从而推断电荷符号和横动量。电磁量能器吸收电子和光子；强子量能器容纳大部分强子。外层μ子室记录穿透粒子。中微子通常逃逸，通过缺失动量推断。

例题: 由曲率求动量

带电粒子在均匀磁场中曲率半径 $r=2$ m， $B=2$ T。用 $p_T\approx0.3|q/e|Br$ 估算以GeV/c为单位的横动量。

解答

若 $|q|=e$ ，则 $p_T\approx0.3\times2\times2=1.2$ GeV/c。在磁场和电荷固定时，曲率越小，动量越大。

研究者选择衰变道、重建粒子、估计本底并与预言分布比较。新粒子候选需要适当统计显著性、受控系统误差、多重交叉检验和独立重复；发现并非一个异常事件。

环形加速器的束流刚度由 $B\rho=p/q$ 表征：磁场 $B$ 和轨道半径 $\rho$ 决定单位电荷动量。射频频率须与粒子经过加速腔的时刻同步，聚焦磁铁则保持束流狭窄以增加有效碰撞。积分亮度越高，稀有事件越多；但高亮度也使碰撞重叠和事件重建更困难。

不变量 $s$ 区分了实验室中的束流能量与有效质心能量。对撞机中相反动量近乎抵消，大部分能量可用于产生新态；固定靶中总动量很大，质心能量增长慢得多。碰撞后，利用能量—动量守恒和产物系统的不变质量，可识别不稳定的中间粒子。

两个能量相同的束流正面对撞。忽略质量，质心能量是多少？

理想静磁场通过洛伦兹力对带电粒子做什么？