如何发现一种新粒子

叶苗

我們来用野外生物学家的探险作比喻，给大家介绍一下粒子物理学家发现新粒子的各种不同的方法。当一个野外生物学家进入新的区域寻找未知的动物时，他可以利用不同的方法来发现新的物种。

直接观察

假设你是一位博物学家，正在探索一座全新的岛屿。在开始你的探险之前，你并不知道你会在这座岛屿上有什么新发现。也许那里的植物和动物都跟你的家乡一样，并不新奇。但是，一旦你在岛上发现了一只特征很奇怪的动物（例如有翅膀的独角兽），那么你并不需要花太多时间就可以意识到那是一个新的物种，而且你知道家乡的物种中绝对没有它。

物理学家们第一次发现μ粒子时的情形就是这样。他们的反应也是一样的惊讶：“咦！那是什么东西？”

寻找间接证据

作为一个野外生物学家，如果你在水边发现了全新的足迹和毛发，那么你就知道这附近一定有新品种。在这种情况下，即使你没亲眼见到，问题也不大。如果这新物种非常谨慎，那么你可能得花很长时间才能发现它。在正式发现它之前，你也可以获得更多关于这种新物种的信息：通过研究它的足迹，你可以知道它的体重，以及它是独居还是群居的;它的粪便还会揭示它是食肉动物还是食草动物。

这正是粒子物理学家发现中微子的方式。中微子本身还没被见到，但是间接的证据让粒子物理学家们毫不怀疑它的存在。

化石和残留物

没有人见过恐龙，但由于它们的骨骼化石被发现了，所以我们知道恐龙是真实存在的。如果你去自然历史博物馆，那么你就可以亲眼见到那些骨骼化石。加上博物馆资料室里有着大量关于恐龙的资料，所以我们可以详细地了解很多关于恐龙的信息。

在亚原子世界里，一些基本粒子的存活时间只有十亿分之一秒。它们的存活时间是如此之短，以致于我们根本看不到它们，更别说仔细观察了。幸运的是，当它们消亡时，它们会衰变成更小的粒子。这些更小的粒子很稳定，存在的时间足够长，我们的探测器能够从容地观察它们。所以，我们可以根据这些更小的粒子推测某一亚原子粒子的存在和重现它，正如我们用骨骼化石重构恐龙那样。

这项技术已经帮助我们发现了数百个新的粒子，其中就包括了2012年被发现的希格斯玻色子。