如何發現一種新粒子

葉苗

我們來用野外生物學家的探險作比喻，給大家介紹一下粒子物理學家發現新粒子的各種不同的方法。當一個野外生物學家進入新的區域尋找未知的動物時，他可以利用不同的方法來發現新的物種。

直接觀察

假設你是一位博物學家，正在探索一座全新的島嶼。在開始你的探險之前，你并不知道你會在這座島嶼上有什么新發現。也許那里的植物和動物都跟你的家鄉一樣，并不新奇。但是，一旦你在島上發現了一只特征很奇怪的動物（例如有翅膀的獨角獸），那么你并不需要花太多時間就可以意識到那是一個新的物種，而且你知道家鄉的物種中絕對沒有它。

物理學家們第一次發現μ粒子時的情形就是這樣。他們的反應也是一樣的驚訝：“咦！那是什么東西？”

尋找間接證據

作為一個野外生物學家，如果你在水邊發現了全新的足跡和毛發，那么你就知道這附近一定有新品種。在這種情況下，即使你沒親眼見到，問題也不大。如果這新物種非常謹慎，那么你可能得花很長時間才能發現它。在正式發現它之前，你也可以獲得更多關于這種新物種的信息：通過研究它的足跡，你可以知道它的體重，以及它是獨居還是群居的;它的糞便還會揭示它是食肉動物還是食草動物。

這正是粒子物理學家發現中微子的方式。中微子本身還沒被見到，但是間接的證據讓粒子物理學家們毫不懷疑它的存在。

化石和殘留物

沒有人見過恐龍，但由于它們的骨骼化石被發現了，所以我們知道恐龍是真實存在的。如果你去自然歷史博物館，那么你就可以親眼見到那些骨骼化石。加上博物館資料室里有著大量關于恐龍的資料，所以我們可以詳細地了解很多關于恐龍的信息。

在亞原子世界里，一些基本粒子的存活時間只有十億分之一秒。它們的存活時間是如此之短，以致于我們根本看不到它們，更別說仔細觀察了。幸運的是，當它們消亡時，它們會衰變成更小的粒子。這些更小的粒子很穩定，存在的時間足夠長，我們的探測器能夠從容地觀察它們。所以，我們可以根據這些更小的粒子推測某一亞原子粒子的存在和重現它，正如我們用骨骼化石重構恐龍那樣。

這項技術已經幫助我們發現了數百個新的粒子，其中就包括了2012年被發現的希格斯玻色子。