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什么是粒子探测器
2009-07-23 | 浏览次数:|【

“小宇宙”和“大宇宙”

人类对两个极限尺度的物质世界—“小宇宙”和“大宇宙”—不断认识的历史是人类文明发展史的重要组成部分。作为物质结构的“小宇宙”,两千多年前就有了古希腊哲学家德谟克里特(Demokritos)(左图)的朴素原子论。德谟克利特等根据有关各种自然现象的思辩性的考虑,提出了原子论的想法试图以之来阐明宇宙见形形色色的自然现象。他们认为:宇宙间存在一种或多种微小的实体,叫做“原子”(现在欧洲各国文字中的“原子”都来源于希腊文“atomos”,是“不可分割”的意思),这些原子在虚空中运动着,并可以按照各种不同的方式互相结合或重新分散。虽然在这种意义上的原子论远远不是人们今天所了解的严密的科学理论,但它与现代科学的结论比较吻合。

原子学说的早期论点也见诸于中国的史书。我国春秋战国时期伟大的思想家墨翟(右图)在《墨经》的《经下》篇中就曾经提出过:“端,体之无厚,而最前者也”。端是物的起始,把物体分割到“无厚”,便达到最前的质点。就是说:物体可以两半两半地分下去,如果剖到“无”,就不能再剖下去了。

(墨翟(人称墨子)是墨学的创始人和《墨经》一书的主要编辑。墨子学派在某些方面和稍晚的希腊学者亚里士多德很相似。他们都曾尝试把形式逻辑学用于数学。如果说亚里士多德是西方逻辑形式系统的创造者的话,那么墨家学派则是东方逻辑学的奠基人。)

近百年来,人类的认识逐渐达到原子、原子核、核子、夸克这几个层次,对其观测的尺度已从10-8到10-15厘米。作为人类周围星体世界的大宇宙,从太阳系、银河系、直到河外系,人们观测的尺度已大到6×107光年距离。在地球上观察到宇宙中存在高能基本粒子,也包括能量范围极宽的电磁辐射光子,其能量由10-4电子伏特(宇宙背景辐射)到1020 电子伏特的硬γ射线,而可见光光子只在大约1.6-3.2电子伏特的很小的一段范围内。宇宙本身已逐步成为研究粒子物理的实验室。人类对无限小和无限大世界的研究也已经逐步有机地结合起来。

粒子探测器的发展史   

高能物理实验研究需要粒子加速器和探测器及其它设备。加速器将微小带电粒子加速到非常高的能量,速度接近光速,然后打到固定的靶上或彼此对撞,以研究物质深层次的结构。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子,记录各种信息,如粒子径迹、衰变产物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史正是人类对物质世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进的历史。

1590年和1609年先后出现的显微镜和望远镜使人们得以在两个尺度方面超出了肉眼范围,它们正是人类首先使用的可见光探测器,它们开始使人类对“小宇宙”和大宇宙的探索逐步走上现代实验科学的轨道。

1895年德国物理学家伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen,1854~1923)(左图)在无可见光条件下发现胶片感光从而发现X射线和1896年法国物理学家贝克勒尔(AntoineHenri Becquerel,1852—1908)(右图)由钾铀硫酸盐使感光片变黑的现象发现了β射线可以作为粒子探测器历史的开端。

1911年英籍新西兰物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)(左图)借助显微镜观察到单个α粒子在硫化锌上引起发光。这正是闪烁计数器的雏形。1919年他用类似的荧光屏探测器第一次观察到用α粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应,由此核物理迅速发展起来。

核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。本世纪二十年代到六十年代出现了核乳胶,云雾室,火花室,流光室等径迹探测器以及电离室,正比与盖格计数管和闪烁计数器等电子学探测器。新粒子的发现往往借助于当时的新型探测器,例如1932年和1936年用云雾室先后发现了正电子和μ介子,1939年用电离室发现核裂变现象,1954年用气泡室发现Σ0超子,1961年用火花室发现μ中微子等。值得提出的是以我国科学家为主于20世纪50年代利用气泡室发现了反Σ-超子。

20世纪50年代以来,由于研究进入核子夸克层次,要求轰击粒子的能量更高,这时期逐渐从原子核物理发展出高能物理(粒子物理),它也包括不用加速器的宇宙线物理。利用高能量和高粒子束流强度的加速器(或对撞机),粒子物理(也称高能物理)实验要求快速地记录愈来愈复杂的高事例率事例。由于径迹探测器记录事例速度慢且后处理需要大量人工,例如用云雾室记录一次需要几分钟,而电子学探测器如有机闪烁体计数器单粒子计数率可高达109次/秒,这样,在粒子发现史上起过重要作用的径迹探测器就逐渐让位于电子学探测器。

60年代末至80年代初,同多路电子学配合使用的多丝正比室、漂移室、多种电磁和强子量能器和标准快电子学插件NIM系统及CAMAC总线系统迅速发展起来。加以电子学技术和计算机的飞速发展,数据获取和事例重建和显示的速度大大提高,出现了各种用于固定靶和对撞机的大型综合多粒子谱仪及非加速器宇宙线实验的大型电子学探测器阵列。许多新粒子和新现象的发现都是利用它们得到的。例如,1974年发现的J/ψ粒子和1976年发现的τ粒子以及1983年发现的中间玻色子W和Z0等。

这些年来在这一领域有多位科学家获得了诺贝尔奖,有力地说明了粒子探测器对科学发展所起的重要作用以及理论的发展基于实验这一基本观点。

 

新葡萄娱乐在线网站科技处制作  资料来自“粒子探测器与数据获取”、三思、百科、人民教育出版社、战略家网站、中国辐射防护网、郑志鹏报告“大型磁谱仪概况”等


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