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display: 'inlay-fix'物理学中的各种粒子，是如何通过各种实验证实存在的？
外行。看到什么强子，轻子，胶子，光子，各种夸克，我外行这么分应该很混乱，请不要计较，这不是重点我好奇的是那么多种那么非常非常微小的粒子，如何通过实验证实存在的？问题分开来一，测试某种粒子是否存在的实验是如何设计出来的（我猜想一定是理论上证明有这种粒子，才会动手搭建实验条件去证明的），一粒灰尘，能通过手工捕捉，然后粘在手上或透明胶上，我相信，一粒那么那么那么微小的粒子，如何捕捉到，证明它存在的，我猜想那么小的粒子是无法捕捉和采取样品的吧，只是通过某种实验除的证据，证明它存在，那具体过程能否介绍一下？二，如何从一堆实验数据结果中，判断出有某种粒子（请用已经证明存在的粒子，做个具体介绍它是怎么从数据中被推断出来存在的，比如随便问一个，胶子，夸克是怎么证明存在的）
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作为一个前粒子物理唯象研究者，我试着不用一张统计图和一个物理公式来回答这个问题，如果有不恰当的地方请相关人士指正。提主举的例子很好，一粒灰尘，我们看到他，因为在阳光下我们可以用各种办法“捕捉”它，当然这也只限于“光学观测”了，根据量子场论的基本推论，探测物质的尺度跟能量成反比。当观测物的尺寸小于探测物的德布罗意波长（这个是什么可以不用理解，能量类似“探针”，如果“探头”比观测物还大那肯定无法”看“了）时，探测该物质就得换能量更加高的东西。比如使用高能的光子、高能的电子或是高能的质子。探测的相关问题，可移步 ，这里不做过多说明了。进行小尺度的观测，探测细胞，我们可以用显微镜；探测分子原子，我们只能用STM或TEM；而探测更小尺度的粒子，我们已经失去了任何“直观”的”显像“办法，只能采用加速器进行对撞。原子核有一些独特的性质，除去物理模型（渐进自由），我们在实验上，发现很难“打开”它。举个例子，他好比一个坚硬的“闹钟”，我们可以在外面听到它的”声音“（核反应），看到他的表针走动和磨损（原子衰变），但却很难看到它里面的结构。原子核内部的“粒子”似乎有极大的束缚能，把它们束缚在一起，“常态”下的任何办法都只是，一个闹钟变成两个小闹钟，或是一个大闹钟变成一个中闹钟同时放出很多“声音”。那么只有一个办法看到里面的结构，那就是撞碎他，然后从一堆的零散的零件和零件组合中，去摸索闹钟的构成。这是个非常艰苦的工作。结合提主的问题，我们在诸如LEPII或是TeVTron或是LHC对撞机实验中，真的“看到”粒子了吗？没有，我们只是“间接探测”到了粒子，而这个粒子甚至是我们用模型“定义”的。那么有人就会问，什么？你们自己定义的？你们怎么区分这些粒子？又怎么保证这些粒子是“新”的而不是你们自己瞎搞搞的？要回答这些问题，我们先得去看看，在对撞机里发生了什么。还是以LHC为例吧。大家知道的，LHC里有两个大的小组，CMS和Atlas，其实这两个小组只是对应LHC两端的两个探测器，每个探测器有一个对撞中心。LHC中间很长的一段都是用来做粒子加速的，目的是我上面提到的，用更高能量的物理探测更加微小的物质。那么，探测器里探测什么东西？比如，我们在LHC里把两个高能质子撞碎了，或是说我们把两个闹钟撞碎了，我们看什么？其实原理很简单。高中的洛伦磁力大家都学过吧，带电粒子会在磁场中偏转，我们确定某个粒子的性质，就是按这个原理。什么？就这么简单？是的，就这么简单。CMS和Atlas里面主要的东西，就是一个巨大的垂直磁场。但是，不幸的是，对撞机里，大部分的粒子都不稳定，他们会发生衰变，我们在对撞机能观测的“末态粒子”少的可怜，只有电子、光子、部分亚稳态强子，mu子、质子等。越不稳定的粒子，其寿命越短，能在探测器中行进的距离越短，大部分不稳定粒子甚至在对撞点刚产生就衰变掉了。而稍稳定的末态粒子，其性质早在很久之前就被人们熟知，这些粒子是被基本的模型中“公认”的，已经在实验上经受了无数检验，因此并没有”发现“一说，我们对他们只是“测量”。我们测量的办法，就是前面提到的洛伦磁力，先用偏转方向确定粒子种类，然后用偏转半径或能量储存器测定其能动量。那对很多不稳定粒子来说，就未必了。要说明探测不稳定粒子的办法，我们先要看对撞机里发生的物理过程。首先，两个质子互相碰撞，发生所谓的“硬散射过程”（Hard Process），就是质子内部结构的夸克或胶子互相对撞，这个硬散射过程能量极高，可能会产生我们“未知”的粒子，也可能只是产生一些我们熟知的粒子。这个先不谈。硬散射过程发生后，不稳定粒子马上发生了衰变（Decay），衰变可能又会产生不稳定粒子，它们会继续衰变，这就是衰变过程和次级衰变过程。然后，因为夸克胶子的不稳定性质，它们会发生强子化过程（Hadronlization），产生新的不稳定强子质子啊中子啊pi介子啊之类。有些强子不稳定啊，它们会发生强子衰变（Hadron Decay），最终产生一堆的光子电子质子mu子等我们熟知的稳态或亚稳态粒子（亚稳态的意思是长期看还是会衰变，但在探测器尺度内是稳定的）。说到这里肯定会有人问两个问题：第一，你怎么知道质子里面是夸克胶子？即使是，我怎么知道每个过程是哪个夸克跟哪个胶子撞？第二，你说的这些杂七杂八过程，好像都是你自己模型说说的，有什么依据？第一个问题，质子内部结构研究，之前做了好几十年了，他的性质（点粒子、渐进自由、强束缚）和模型早已清楚，在对撞机里我们只是运用这个结果而不是去探究他，毕竟这是初态过程。而哪次对撞到底什么跟什么撞，一般采用部分子分布函数，根据大数统计进行模拟本底，实际上我们不知道每次对撞到底发生了什么，但我在统计上知道什么对撞该发生几次。第二个问题，这些过程虽然都是按建模进行处理，但大多子过程都经过实验检验，否则建立量子场论和粒子物理标准模型就没有任何意义，标准模型也经历了几乎所有实验的检验，是可靠的。所以我先回答提主的问题，胶子跟夸克怎么证明其存在？实际上在高能对撞里我们无法证明（他们的性质在低能对撞中已经探测明了，至于怎么探测，其实跟我们在高能中一样，先假设他们为未知粒子，然后通过末态分析得到，但在高能探测里，我们假设他们为我们熟知的“已知粒子”），我们只能证明其”性质“。上面说过，发生硬散射过程后，胶子、夸克因为强束缚，在能量到达Lanbda_QCD之后，他们就会发生束缚，进行强子化，从而产生一堆强子还有衰变粒子。实验上，我们不能确认某个硬过程末态是轻夸克还是胶子（重夸克除外，b夸克可以用b tagging办法部分识别，Top夸克因为太重了，性质完全不同于其他夸克），我们只能看到两个喷注（jets）。什么？什么是喷注？这又要回到探测器了。LHC的探测器分为五部分：顶点探测器（Vertex Detector）、轨迹跟踪器（Silicon Tracer）、电磁储能器（Electromagnetic Calorimeter）、强子储能器（Hadron Calorimeter ）、mu子探测器（Muon Chambers）。不同粒子在五部分会发生不同的“效应”，从而可以进行甄别和测量。在上面说的，对撞点附近发生硬散射、衰变、强子化、强子衰变等过程后，粒子撞入探测器，因为能量和行进方向惯性极高（Large Boost），他们会由对撞点向四面发散。部分低能的带电粒子偏转了，但高能粒子还是往前走。虽然有很多次级反应，而且部分粒子带走了动量，但根据粒子惯性，大多次级反应的行进方向跟原硬散射过程中出射粒子的方向相同或相近，夸克和胶子会产生很多强子和次级强子还有光子电子一坨东西，他们沿着夸克胶子本来的行进方向，在电磁储能器和强子储能器里被减速，结果我们在探测器里就看到一束类似大喇叭型的前窄后宽的“喷注”，虽然电子和光子也会有其他反应，使得一堆粒子围绕在他们面前而不是看到只有“一个”，但因为强子化和强子衰变带走的纵向能量要远大于光子电子，损失的惯性很大，因此“喷注”的角向宽度要远大于电子光子质子之类，体现了其独特特性。LHC在实验之后，都会记录一堆的“事例”，这些“事例”以所谓的标准Les houches accord 标准记录，其实就是一堆初态、末态粒子的能动量而已（质子对撞，初态粒子在单个事例中较为复杂，因为没去过实验室，我不清楚实验上是通过什么办法进行初态确认，可能还是通过末态能量反推初态概率加成计算，据我推测可能实验上的原始数据只有末态粒子信息而已，生成的LHA事例是数据分析后得到的）。接下来大量的工作不是实验而是数据分析了。数据分析的主要工作，是将这些末态粒子“反推”前面说的过程，并“重构”（Reconstruction）中间态粒子。重构粒子的办法一般通过“不变质量”进行。我们知道一个粒子衰变后，末态虽然带着动量，但如果从相对初态粒子的静止坐标系里看，末态粒子的能量和就是初态粒子的质量，因此我们在计算末态粒子不变质量时，会在末态粒子质量这里有个delta函数。但实际上，因为初态粒子是不稳定的，根据量子力学的原理，不稳定粒子会有一个”宽度“（半宽度的倒数即是其寿命），所以我们首先通过喷注、高能光子、高能电子、高能mu子，重构硬散射过程，然后通过硬散射过程的不变质量，做出不变质量-事例数的二维图，就会在某个粒子质量附近看到一个明显的峰，这个“峰”就是我们认为探测到的“粒子”。比如双光子道探测Higgs粒子，我们使用没有Higgs粒子的模型，算一遍本底的的不变质量分布，然后使用有higgs的模型，算一遍信号的不变质量分布，然后做实验，根据实验数据进行数据分析，“重构”硬散射过程，然后用双光子的不变质量分布，验证是否有higgs，还是没有。说起来就一句话，但里面的工作是非常非常艰苦的。为什么要用末态双光子道？因为强子对撞机里其背景很低但其实也不低，很多都不是树图阶的过程，算起来非常繁琐。这个背景在数据分析里非常关键。大部分higgs的衰变道，QCD的背景（不用管这是什么，你可以把它看成是噪音）都把信号淹没的一塌糊涂，这就好比，你用一个水泥塔测量水位，只有水泥塔最高刻度在水位之上，我们可以看到真实的水位，如果水都淹没了水泥塔，甚至水位比水泥塔最大示数搞了几个数量级，虽然水泥塔还在，我们却看不到。“算一遍本底”，这句话好像很简单，但真要计算是非常复杂的，这里面的本底来源五花八门，在精确模拟中，甚至要模拟探测器的误判，比如三个光子探测成两个这种。“重构”硬散射过程？这个更加难了。这就好比在一堆10MM的细针中挑出两个9.9MM的针。有些硬散射过程，末态粒子的能动量并非最高，次级过程的能量可能会超过“硬过程”，更何况在探测器里，光子这种粒子再常见不过。这里我们可以得到结论：我们首先有熟知的粒子和过程，然后用他们去探测“新粒子”，而我们无法"看到"这个所谓的新粒子，我们只是知道一旦有这个粒子，将在实验上看到有不同于本底的信号，这些粒子都是理论和实验自洽的结果。当我们熟悉这个“新粒子”属性，我们知道了它的质量、宽度、自旋等等后，我们在模型中加入这个粒子，又去模拟和实验下一个“新粒子”的探测，周而复始，构建了现在粒子物理的标准模型和实验框架。当然有人说既然“看不到”，那我可以自建一套理论体系说明实验，可以有不同的模型进行“粒子描述”？可以，只要你有这个本事，能解释所有的现有实验。只能说，我们现在的模型不是最完美的，但是却是最“可用”的。最后还是忍不住放个图作个结尾吧。
&&&&前面方法论和细节大家说的都有，我来做一件比较傻的事情我来尽量简短地缕一遍各个粒子的发现（天啦噜感觉自己在写综述（为何有种野史的感觉没有费曼图！没有装置图！放心看！当小说看！感觉会很长。。。&&&&一. 基本粒子1. 轻子lepton（1）电子electron可以说是人类认识的最早的基本粒子，当然现在仍然有很多人在做电子的内部结构研究，希望找到“更基本”的粒子。我们略过人类对电的探索，从克鲁克斯管说起。克鲁克斯管可以认为是连电的真空管，在这里粒子物理学史上大名鼎鼎的阴极射线被发现了。当然对于阴极射线的本质，一派认为是电磁波，一派认为是带电粒子流。在阴极射线本质的大争论背景下，我们的J.J.汤姆逊爵士登上了历史舞台。他先证明这是带电的粒子束，而不是电磁波，接着用电场和磁场的偏转测量出这种带电粒子的荷质比。因此确定，一种带有与已知粒子性质不同的新的粒子被发现了。电子代表一系列粒子，它们的发现没有理论指导，它们来自于无法解释的现象-&可能的新粒子-&确认是与已知粒子不同的新粒子。（2）mu子muonMuon的发现起源于宇宙射线的研究，在电磁场中，有一条运动轨迹弯曲程度和其他已知粒子都不一样的粒子。通过轨迹我们可以知道很多信息，假设这种粒子和电子的带电量相同，我们就可以算出该粒子的质量。你要问了，为什么要这么假设，是因为这样算出来的质量和理论大牛汤川秀树预言的一种粒子是符合的。所谓理论的预言，就是理论学家为了使得自己的理论更好地解释现象，而引入的新粒子，当然，如果在实验上发现了预言的粒子，那么将是对该理论极大的肯定。muon代表一系列粒子，它们的发现虽然来自于新的现象，但是有理论的预言相辅助。（当然我会告诉你汤川预测的其实不是muon而是pion吗。。。。。（物理史是非常奇妙的（3）tau子tauonTauon的来自高能实验。哈哈哈我们的加速器和对撞机终于要亮相了。发现tauon的实验是在斯坦福的直线加速器SLAC（SLAC三大历史性发现之一啊），实验做的是正负电子湮灭。因为四动量守恒无法满足而产生无法解释的新现象，证明至少有两个未被探测到的粒子。所以tauon代表了另一系列的粒子，它们来自无法解释的现象-&可能的新粒子-&并没有直接探测到粒子。后面的中微子我们会看到也是这样。但是我们对于一种新粒子的态度必须非常严谨，新粒子的正名必须要来自于直接的测量，tauon的质量自旋测量最后是德国DESY做的。（4）中微子neutrinoneutrino的发现算是粒子物理史的著名故事。neutrino的发现是来自于beta衰变四动量角动量守恒无法满足而产生的悖论，理论学家泡利假设beta衰变还产生了一种未被探测到的粒子。（当然如果你认为并没有新粒子，并且你还能推翻能动量守恒，那就更厉害了！）（对了neutrino的名字是费米起的，那个时代贵圈超乱的，但是很向往啊QAQ）关于泡利是谁，有一次我在世界奇妙物语里惊讶地看到这么一幕：对于neutrino的第一次直接探测在1956年，很漂亮的实验，用的是beta衰变产生的（假设的）anti-neutrino诱发新的反应：反电子中微子+质子→中子+正电子，正电子和正常的电子很快湮灭成两束gamma，中子可以被原子核俘获产生gamma，这两部分gamma最终可以被一起探测到，进而验证了这个反应的发生。一定要说的是，这个探测方案最早是由王淦昌先生提出的。值得一说的是，因为neutrino和其他物质的作用非常弱，所以导致了探测非常的难，而且它的性质又非常有意思，所以关于质量（标准模型认为质量为零，但是仍然很有争议）手性等话题都是非常有意思。前段时间大亚湾发布了一次关于震荡的结果，很漂亮我觉得。2. 夸克quark（1）上，下，奇夸克up, down, strange quarks夸克模型是先由理论学家提出的。就像我们现在研究电子的内部结构一样，对于早年就已经被发现的像质子中子这些强子，人们早就怀疑它们并不是真正的基本粒子，它们是有内部结构的。夸克模型就是这样一种试图解释强子内部结构的理论。理论方面我快速带过，Gell-Mann和Zweig提出了up, down&strange三味夸克。前面提到的SLAC在1968年做了质子的深度非弹性散射（DIS）实验。大家可以这样理解这个实验，用一样东西去打质子，因为能量很大，所以可以打到质子内部去，进而探测到质子内部结构的信息。结果发现质子含有更小的点状成分，它是由内部结构的，并且实验结果可以用三个更基本的粒子的组成来解释，这完全符合夸克模型对质子的描述（uud）。（卢瑟福实验原子核结构的发现和这个优点相似！）strange的证明其实是上面DIS的一个延伸。包含strange quark的介子其实很久之前就已经在宇宙线中发现了：Kion & Pion。当然以上这些我们都可以说并不是一个非常严格的验证，而是理论和实验结果的一个重合，并不能真的证明那个更小的粒子就是夸克模型中的夸克。所以后续还有很多其他的实验来比较各个方面和理论的吻合度，我就不都写了。（2）粲夸克charm quark前面说完第一批up,down,strange，终于要讲到历史意义的charm了。理论上我不多说，笼统地讲，当时理论上因为弱作用的一些不自洽的情况，Glashow和Bjorken预测添加了charm夸克以及c&anti-c夸克组成的非常非常有名的介子J/ψ。（Bjorken在物理界也是大名鼎鼎的人物啊，可我一直以为他早就去世了，结果有一天他突然出现在我的一节课上的时候我整个人都惊呆了！）十一月革命！听起来就非常燃有没有！SLAC和MIT（丁肇中组）两个组在同一天的PRL上面发表发现新的介子，它们是同一个介子——被理论预言的J/ψ。而且两个组当时谁都没注意这个介子的预言，所以都不是为了它做的。。。丁肇中手里这张图就是 丁肇中手里这张图就是
的那张，感觉这个问题下面回答共振态探测的人最多，大家可以看看。。。比如@才不是笨蛋 讲的，我还没想好有什么更清楚简单的方式能解释清楚。。。总之随着J/ψ的发现，charm夸克的假设被验证，夸克模型得到了一个非常重要的砝码，在物理界终于开始扬眉吐气—，—。（3）底，顶夸克bottom,top quark理论我们继续带过，笼统说是因为CP破坏的一些原因，理论上又引入了bottom和top。方法和charm非常像，无非就是不一样的channel和能量@@两个都是FermiLab做出来的，只是一个字1977年，一个在1995年，相差二十年，原因是top比想象的要重很多，相应地，想要产生它所需要的能量就要很高。3. 规范玻色子Fermion我们讲完了接下来讲Boson，简而言之，Boson是标准模型里传递相互作用的粒子（1）光子photon光子是传递电磁相互作用的，关于光子我觉得情况有点复杂，我就不说了好吗？（2）W和Z玻色子W&Z bosonsW和Z是传递弱相互作用的，它们是先由理论预测然后实验再证实的。这三个bosons是在电弱统一理论中引入的，实验是CERN做的。先是一个不是直接的探测，是在气泡室里面看到一些电子自动移动的轨迹，气泡室是能显示带电粒子的轨迹的探测器，这个过程人们是认为是中微子和电子之间交换没有电荷的Z boson的作用过程。W和Z都非常重，所以要在加速器上产生它们需要非常高的能量。1983年还是在CERN，超级质子同步加速器上直接探测到了W和Z。（3）胶子gluon胶子是传递强相互作用的，也就是夸克之间的相互作用。单独的胶子因为色紧闭没有被直接探测到过。胶子和夸克之间的相互作用会产生更多的胶子和夸克，它们会形成强子而非单独的胶子，这样就能被外界探测到。这些强子会形成喷注jet，每一个有一个喷注，最有名的实验叫三喷注实验，就是在正负电子湮灭中由一个夸克，一个反夸克和一个胶子形成的三喷注。（4）引力子graviton引力子是传递万有引力相互作用的，现在还只是一个假设粒子。。。4. 希格斯玻色子Higgs boson这是理论中引入预测的粒子，笼统地说是给上面的规范玻色子质量的。实验在CERN的LHC上做的质子质子对撞产生Higgs，两个探测器不同的衰变通道都有人在做，跟前面讲J/psi的那个方法很像，只是J/psi换成了Higgs，ee换成了其他的衰变模式。号，当时cern向全球直播数据结果，CMS和ATLAS都宣布发现新的boson在那个质量位置上。我当时在家看的，还挺有感触的，号LHC开始试运行，那时候我在高三准备物理竞赛复试，但是那天大家还是很兴奋地讨论了很多自己也不懂的东西哈哈哈哈二. 强子hadron有点困我不想写hadron了。。。就写一个吧，挺有意思的，以后有空我再把其他的补上1. θ和τ不知道大家还记不记得我前面写neutrino的时候，我说在能动量守恒和可能的新粒子的矛盾中，泡利选择了相信能动量守恒，预测有未探测到的粒子，另一方面，你也可以认为并没有新粒子产生，而是能动量守恒本身是错误的。我的话里其实是有一点点点点讽刺的味道，但是其实事情并不总像我们深信的那样。θ和τ是两个当时发现的介子，它们的几乎所有的性质都一模一样，只是它们衰变到的产物CP宇称相反，那个时候人们认为CP宇称守恒和能动量守恒是一样的金律，那么结果就是这两个介子是不同的粒子，发现了新粒子！后来发生了什么呢？两位叫杨振宁和李政道的年轻人说，θ和τ是同一个介子，宇称不一定守恒，后来吴健雄女士做实验验证了这一点。&&&&高能物理实验其实有一些非常精彩的地方，向我前面描述的这些粒子的发现，可能被我描述得太平淡了，但是我觉得是相当惊心动魄也是非常让人向往的年代吧。最后这张图是12年7月4日在CERN的报告厅报告发现Higgs实验结果的现场这几位是几位久负盛名的理论物理学家，包括提出Higgs机制的这几位是几位久负盛名的理论物理学家，包括提出Higgs机制的Fran?ois Englert, Peter W. Higgs几十年之后看到自己设想的东西被变成现实，不觉得棒呆了吗！
举个最近的栗子权作补充。纵轴标的是观察到一对光子的事件数目。纵轴标的是观察到一对光子的事件数目。好像在时，双光子的产额微妙地增多了么，发生啥了呢？发生了这个过程：。这个就是要找的新粒子：西格斯。那是啥呢？假设光子一号的动量是(E1,p1)，二号动量(E2,p2)，那是为新粒子的静质量。嗯，所谓的“看到”就是那么个包。唉？你说要是这个包是AI造假忽悠人们的咋办？这个世界好可怕…… 参考：
这是个不错的问题，题主虽然谦虚地自称外行，但提问思路比较清晰，比很多提问得不知所云的真外行强多了。当年我还是外行中的外行时问题比这更多，一点一点地学过来了终于懂一些了。这个问题问着简单但完整回答需要很大规模。上面答得很好，我用苛刻的态度读了两遍没找出什么错误，点一个赞同不过瘾又再追加个感谢。但是他只答了大型对撞机这一方面，还有不少补丁可以打；我尽量把补丁都打完，根据情况一次性写好或者用连载，这段是前言。正式回答问题前我先要提到，粒子的探测与物理过程的能量标度关系密切，这个能量标度可以理解为一个物理过程的典型能量动量转移大小。用扫描隧道显微镜可以观察的极限是分子原子尺度，再小的尺寸（对应更高的能量标度）就需要在加速器上利用加速后的电子或质子之类作为探针，对靶进行轰击或两束粒子对撞。越到微观，不确定关系的影响就越显著，所以针对一个能量标度上的物理进行测量，需要利用更高能量的初态入射粒子。当然宇宙射线等非加速器实验也给了我们一个偶然的机会去发现许多新粒子，不一定要等到加速器上发现。这个回答里主要按照时间顺序，以能量标度作为主线，关注原理和历史上重要实验，宇宙线等支线的问题随时进来插播。首先插播几个早期的发现作为序幕。我们现在都知道原子由电子和原子核构成，而原子核一般是由质子和中子组成。电子是1897年Thomson研究阴极射线的时候完成的，它的质量约0.5MeV并且是稳定粒子。1911年的Rutherford实验证实了原子大部分是空的，其质量集中在很小的核心中。八年后Rutherford又成功实现了人工核反应，并从产物中发现了质子。1932年Chadwick又在人工核反应中发现了中子。以上这些小故事应该在中学教科书里出现过，核反应的能量标度大约在MeV的量级上。在中子发现前还有一点插曲，之前β衰变中发现电子能谱是连续分布的，如果假设能量守恒依然成立，就意味着有一个不可见的粒子被释放出来了。Pauli称之为中微子，由于这个家伙与普通物质的相互作用很弱，对它的探测是后话。下一段还是插播。你说为什么我一直在插播？因为三十年代到五十年代这段加速器进展缓慢，所以暂时还没有进入主线，而针对宇宙线的观测不断给出新的信息。现在对撞机中使用的洋葱式探测器那个时候还没被发明，就算发明了也没法使用，早期的云室以及后来出现的气泡室是粒子探测的主要设备。这两种东西原理上不复杂，都是以显示粒子径迹为目标，可以推测荷质比，对于不稳定粒子还可以观察到其衰变产物并由许多事例估计寿命。宇宙线粒子射进云室可以留下径迹，这样人类就可以从宇宙线中识别出一些新粒子。这里比较重要的包括1932年发现的正电子，这是第一例反物质粒子，证明理论预言中费米子的电荷共轭态确实存在；1936年发现的μ子质量是电子的两百多倍，是第二代轻子，当初一度被误以为是核力的媒介，但因为它不参与强作用而被否决；还有1947年发现的带电π介子、K介子等等。我们现在知道QCD相互作用有一个内禀标度，耦合在这里变得非常强从而带来禁闭的效应，所以人们观察到的是复杂的强子谱，直到后来有更高的能量可以将强子也打碎。值得注意的一点，上面一段我们没有提到中性π介子。理论上预期它会衰变为两个高能光子，1949年开始的一系列加速器实验观察到反常的光子分布提示一个中性π介子，而带电π介子对质子的轰击可以直接产生中性π介子，并且测量出其质量。高能光子的探测主要是利用光子与探测介质发生电磁相互作用中产生的簇射，能量远大于1MeV的光子打到介质上会产生大量正负电子对。哦到这里开始进入主线了，今后加速器将要起到越来越重要的作用。多说一句，实验室有条件大量制造π介子了，人类们就考虑到建造π介子工厂，产生大量的π介子用于研究其性质，这个思路沿用到后来发现的许多新粒子。刚刚进入主线就又要插播一节了。之前不是说到了中微子，对中微子的直接探测始于50年代。核反应堆可以作为一个大流量的中微子来源，但中微子参与的相互作用实在太弱。1956年萨凡纳河反应堆处终于观察到了中微子事例，他们利用了反中微子与质子散射放出的正电子，它与电子湮灭的信号被闪烁体捕捉到。六年后利用类似反应释放的μ子，人们确认了第二种中微子。回来主线，加速器技术一开启就一发不可收拾，其中1955年的质子散射中发现了反质子，1956年刚不久的反质子作为初态与质子散射获得了反中子。另一方面，配合气泡室，陆续有大量新的共振态被发现。对于散射信息的分析方法大致有两大类——例如π介子与核子散射实验中，调节散射的能量会在许多特定位置发现截面变得很大，每个位置对应的就是一个s道共振峰，这个方法在之后初态能量可控的对撞机上很常用，无论是寻找新粒子还是专注于研究性质；另一种方法是在许多末态粒子中寻找特定末态的不变质量分布，不变质量的定义上面许多回答都提到过了，明显高出本底的峰则意味着产生了一个共振态，这个方法后来在对撞机上用得非常广泛。这里可以举例子，1961年利用末态两π介子的不变质量分布发现了ρ介子，它的质量大约770MeV而宽度达150MeV。在这个能量区虽然也涉及从本底中抽取信号的问题，但毕竟背景相对简单，不像后来的高能对撞机那么费劲。这里插一句长寿命K介子的发现，也是1956年。实际上发现长寿命K介子没有采用新的探测技术，就是简单的加速器加云室，但是这个家伙的发现意味着介子混合的测量拉开序幕。下面开始的内容非常重要。早在1933年质子磁矩的测量就提示它不是一个点粒子，若干年后中子磁矩的测量也给出同样的结论。1955年McAllister和Hofstadter利用能量约0.2GeV的电子束与核子进行弹性散射实验，按照上文的估计，这意味着探测精度可以在1fm左右。在这样的精度上，他们发现了微分截面的行为明显偏离核子是点粒子的假设，这证实了核子是存在内部结构的。但是这个能量也刚刚达到QCD的标度，要想进一步探测核子的内部结构，还需要能量更高的电子束。从六十年代后期开始，斯坦福线性加速器中心（SLAC）开始进行能量超过20GeV的电子束与质子靶散射实验，这样高能量的电子与质子发生的散射过程动量转移可以达到若干GeV，这足以激发核子的内部自由度。在深度非弹性散射实验之前，夸克模型早已存在并且能够用于理解复杂的强子谱，但许多人不认为夸克可以代表物理实体。深度非弹性散射实验中发现单举（inclusive）截面中得到的形状因子对动量转移的依赖很弱，和偶极形状因子有巨大的差异，偶极形状因子在大动量转移区域是按照的行为下降的。另一方面，形状因子与一些运动学变量的简单组合表现出无标度行为超出了当时的认知，而假设质子由一些关联很弱的点粒子组成则可以很好地解释这个无标度行为，Feynman将这些点粒子称为部分子，这就得到了部分子模型的前身。这是一个意外的巧合，更多的实验表明这个标度无关的行为只在特定条件才是成立的，但这个意外对后续的理论和实验进展都产生巨大影响。此外后续的实验发现夸克完全符合实验要求的部分子性质，这是对夸克模型的肯定，虽然不能观察到自由的夸克，但是分析与核子散射后的末态电子分布，相当于窥探到了核子的内部，或者用个噱头说「看见夸克」。不过实际上这个说法可能很难让人接受，毕竟没看到就是没看到，我怎么能说看到了？但是越远离日常生活，粒子就越难被人类的感官直接认识，后续的更多粒子都是通过类似的方式即相互作用来「看」，甚至更抽象地连这个相互作用都求之不得，只能去抓捕它留在世界上的遗迹。Friedman、Kendall还有Taylor因为深度非弹性散射实验的工作获得1990年的炸药奖，他们显然是当之无愧，关于这段历史具体可以看他们当时的演讲，发表在1991年的Rev. Mod. Phys.上。这个工作不但窥探到核子的内部，利用后续的更多实验拟合出的部分子分布函数（PDF）还是现在强子对撞机的数据能够被分析的基础，因为高能强子对撞的背景非常复杂，只有准确地理解背景才有机会从中抽出隐蔽的信号来，其重要性不言而喻。下面的事情开始和对撞机有关了，包括更多味夸克的发现，以及QCD相互作用要求的胶子。原来的实验多是加速器配合固定靶，但如果将靶也加速起来与探针对撞，要达到同样的动量转移所需的加速能量就小多了。第四味夸克c的第一个实验证据是1974年发现的c偶素，是一个质量大约3.1GeV的狭窄共振峰，被叫做J/ψ粒子。这两个独立的测量分别使用了上文提到的两类方法——调整正负电子的能量寻找截面反常增高的位置；以及用质子与铍散射并分析末态正负电子的不变质量分布，来寻找共振峰。1977年，费米实验室上质子与重原子的散射实验中，Lederman在分析一对正负μ子的不变质量时发现了一个窄共振峰，质量大约9.5GeV，是b夸克偶素。1975年起，正负电子对撞机开始观察到喷注现象并对它进行研究，喷注是夸克强子化的过程中产生的。这里面值得注意的是三喷注的事例，因为在电子对撞机上夸克一定是成对出现的，而三喷注的现象意味着有一个喷注是轫致辐射的胶子带来的。1979年，德国电子同步加速器（Desy）的正负电子对撞机上首次观察到了三喷注事例，这是胶子存在的证据。到这一步发现的夸克与胶子都是以强子的形式存在的，可以估计强子化的特征时间大约在，非色单态的粒子只有寿命比这更短才能够摆脱强子化的过程。多年后才发现的t夸克因为质量比W大很多所以衰变宽度很大，可以单独存在而不是以强子的形式出现，这是后话了。顺路插一段，第三代轻子τ是1975年在SLAC上通过成对产生发现的，它是唯一可以衰变到强子的轻子，在后来的对撞机上它的判定比较困难。这一段我要讲W和Z粒子，它们被电弱理论要求，并且他们的质量分别被估计为80GeV和90GeV左右，这个估计利用了低能弱作用的强度和电弱混合角的测量。在质量大致清楚的情况下，寻找这两种粒子设计的实验有很强的针对性。欧洲核子中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）上在1983年以质心系能量的质子反质子对撞实验中先后发现了W和Z粒子。对于W粒子，实验利用了它的全轻衰变，末态为一个电子和一个中微子。电子的探测很简单，但中微子与探测器的作用非常微弱，这意味着它的能量无法沉积到探测器中。参与硬散射的部分子只有小的横动量，而中微子可以有较大的横动量，这样的事例在对撞机上的表现就是丢失的横动量，即末态所有粒子的横动量相加有一个较大数值，一般取丢失横动量15GeV以上作为有效的事例进入下步分析。具体到W的产生，可以事先模拟出丢失横动量的分布，在处事例分布达到峰值然后出现一个陡峭的下降，利用这个典型的信号可以判断W的存在并测量出它的质量。对Z的寻找道理上更简单，利用Z衰变到一对正负电子（或μ子）的末态。分析末态中这一对粒子的不变质量，找到的90GeV附近的峰即可。虽然W和Z主要还是衰变到夸克，但是这两个实验没有利用强子末态来寻找，因为强子对撞机上喷注背景非常复杂，轻子背景相对干净易分析。在讲发现过程非常曲折的t夸克和Higgs粒子之前，先插一段现代对撞机的结构及其对于各种粒子的鉴别方法。这里大致分两类对撞机，一类是低能对撞机，一般用正负电子为初态，质心系能量一般在若干个GeV到10GeV的范围，特点是亮度非常大，末态粒子能量在0.1GeV以上到若干GeV，介子工厂一般属于这一类，典型例子如日本KEK的B介子工厂；另一类是高能对撞机，可以是正负电子初态也可以是正反质子（或都是质子）初态，设计目标可以是发现更高标度的物理也可以是对粒子性质的精确测量，质心系能量对于电子对撞机一般在100GeV以上，而强子对撞机可达到若干TeV，这是因为加速质子的难度比加速电子更低，探测器搜集的末态粒子能量在数十GeV或更高，甚至达到1TeV以上，这类对撞机典型例子如CERN已经关闭的大型电子正电子对撞机（LEP）和正在运行的大型强子对撞机（LHC）等。现代对撞机的探测器直接搜集的是末态粒子的能量沉积，这两类对撞机粒子的鉴别有一定差别，来源就是末态粒子典型能量的差异。以KEK的B工厂为例，它选择的主要对撞能量是，即在Υ(4S)的产生阈，产生大量介子对。当然因为初态能量的调节比较容易，也会把一些对撞选择在Υ(5S)的产生阈从而产生大量介子对。首先明确可以探测的粒子，因为B介子、D介子和τ轻子等会迅速衰变，只有它们的较稳定衰变产物与其他较稳定粒子可以进入探测器。这些稳定或寿命足够长的粒子包括电子、光子、质子、中子、μ子、带电π、K介子和长寿命K介子，中微子直接穿出探测器从而表现为能量丢失。这里的探测器属于柱形层状的结构，就是前面所说的洋葱式，主要结构包括——径迹探测部分，包括硅顶点探测器和漂移室，利用外加在探测器中的强磁场判断带电粒子的径迹，可以获得电荷与动量的信息，并淘汰掉横动量不够高的事例；粒子鉴别部分，包括Cherenkov探测器和飞行时间闪烁计数器，用于对不同的带电粒子进行分类鉴别，主要是针对带电π介子与K介子的鉴别，实际上后三块都属于广义上的粒子鉴别；电磁量能器，上面提到过，利用电磁相互作用探测质量较小的正负电子和高能光子（相比Cherenkov辐射光），当然大质量带电粒子也会沉积下部分能量；μ子和长寿命K介子探测器，其他粒子大多已留在内层了，这一层位置最靠外。注意以上只是以Belle探测器为例，SLAC上BaBar探测器与之有些小区别，但结构大致一样。利用末态粒子的信息可以重建出D介子、B介子、短寿命K介子等已经衰变的前级产物。重建主要使用了不变质量、若干粒子的总能量等一些运动学变量的分布，针对一个特定的物理过程，这些运动学变量的联合使用可以有效去掉大比例的背景事例。当然对于发射中微子的事例，这个重建并不完全，但已经可以抽取足够的信息。此外，利用径迹的信息可以重建出B介子从产生到衰变的飞行距离从而推断其存在时间，这个时间在介子混合与CP破坏等物理的测量中非常重要（虽然在质心系中两个B介子几乎是在阈产生，速度很小，但机器本身对电子和正电子就进行了不对称地设计，电子的能量取8GeV而正电子是3.5GeV，这样Υ(4S)粒子本身就以约0.39倍光速沿轴向运动；Υ(4S)通过强作用衰变，寿命很短，比起通过弱作用衰变的B介子可以无视）。此外在介子混合与CP破坏等测量中，标定中性介子的夸克味是很重要的，例如利用带电D*衰变得到中性D介子时，会伴随一个非常软的带电π介子，利用其电荷可以标定这个D介子到底是还是。在高能的对撞机上，可以直接到达探测器的粒子还是上一段那些，但探测的粒子动量一般在几十GeV甚至更高，搜集信息的时候有些区别。高能探测器的结构上面许多回答都提到了并且图文并貌，看来答主们还是做这一块的人更多点。探测器结构还是典型的洋葱式，从内到外——径迹探测，利用强磁场使带电粒子发生偏转，获得电荷和动量信息并筛选出横动量足够的事例，而用于分析的事例往往横动量要超过10GeV或者更高；电磁量能器，捕捉正负电子和光子专用的探测器，更大质量的带电粒子虽然也会在电磁量能器留下少许能量，但基本可以穿出到后面的探测器；强子量能器，搜集强子事例，一般硬散射过程得到的夸克、胶子末态会强子化，这个过程会产生许多强子形成一个喷注，强子量能器搜集的就是喷注里各个强子的能量，而对强子种类的鉴别比如对K与π的区分一般会很困难；μ子探测器，油盐不进的μ子很容易就穿透前面几层到达这里了。喷注这个东西在高能对撞机上有很多，尤其是强子初态的情况下。针对喷注内部结构的研究比较容易识别出含b夸克的喷注，当然这个容易是相对其他强子鉴别而言，整体效率也就60%左右。而含c或s夸克的喷注与轻夸克、胶子喷注一般不予鉴别，因为非常困难，虽然研究喷注的内部结构可以发展一些鉴别方法。中微子的典型信号是丢失的横动量，因为它与探测器各部分的相互作用都非常微弱，上面W粒子寻找的时候正是利用了丢失横动量的分布。值得注意一个特殊的家伙，τ轻子，虽然它的分类是轻子，但它有接近70%的几率衰变到强子末态，而且一定伴随释放一个中微子，所以它的鉴别也比较难，整体效率与b夸克接近。大型对撞机往往带有发现新粒子的任务，而新粒子一般是不能漫无目标地寻找，因为末态粒子实在太多了。这样除了一些常见的盲测如抓取一对轻子测量不变质量分布之外，很多时候的寻找都带有一定的目的性，比如寻找有理论预言的粒子。而且理论中存在的粒子衰变末态也可能十分复杂，实验科学家也无所适从，从理论到实验之间的跨度变得太大，这就需要另外一些人专门分析理论与实验之间如何关联起来的问题，这类工作就叫粒子物理唯象学。上面两段讲了些现代对撞机的基本知识，这段开始回到问题的主线，用大机器时代两个重头戏结束这篇回答，这段先讲t夸克的发现。这个家伙的发现过程没有W和Z粒子那么顺利，主要在于它的质量无法事先推断。起初人们推测它大约有15GeV，这样就可以形成30GeV左右的t夸克偶素。按照这个线索，当时的许多台正负电子对撞机进行了t夸克的寻找，但一无所获。这时候人们知道t夸克和其他夸克很不一样，可能比预想要重得多。发现了W粒子的SPS上曾经利用W的衰变末态寻找t夸克，仍然没有任何痕迹。1988年Fermilab上的Tevatron开机运行，它利用能量900GeV的质子与反质子对撞（相当于），是当时世界上最强大的对撞机，如此到两年后t夸克的质量就被限制在91GeV以上。按照标准模型的预期，这个质量的t夸克将几乎完全衰变为一个W粒子加上一个b夸克，之后这个b夸克强子化为一个b喷注进入探测器；而W将衰变到一个轻子加中微子，或者两个夸克，这两个夸克再强子化成为两个喷注。在强子对撞机上t夸克主要是成对产生，这样的末态比较复杂，重建并不简单，尤其中微子表现为一个丢失的横动量是无法完全重建的。此外为了寻找t夸克对的事例，还必须面对大量的背景事例，并尽量通过运动学分布将它们与信号事例做出区分。到1994年，Tevatron上已经把t夸克的质量限制在131GeV以上，并且出现了一些模糊的信号，这年的夏天，Tevatron解决了机器的一些故障进而迅速提升了机器的亮度。到1995年初，CDF和D0实验组分别抽取出高出背景4.8σ和4.6σ的信号事例，至此t夸克终于被宣布发现。其质量在当时还无法精确测量，只能估计在175GeV附近。随着Tevatron事例积累和LHC的开机，t夸克的质量被测量到，即大约0.4%的精度。这是因为t夸克的宽度大约在1.4GeV，已经远远超过，所以它在强子化之前就已经衰变了，因而其质量信息保存得比较完整。除此之外，其自旋信息也因为极短寿命而保留下来，并体现在衰变产物的角分布中。转进支线，2000年的时候，Fermilab的DONUT实验发现了τ子中微子。如果世界上只有三代费米子，那么τ子中微子就是最后一个被发现的费米子。首先实验中要用能量800GeV的质子轰击钨靶，这个过程会产生大量的带电介子，它们的衰变产物中可以有许多中微子。因为入射质子的能量非常高，所以产物大部分是前向飞行，τ子中微子主要来自介子的衰变。高能τ子中微子进入探测乳剂后会发生散射产生τ子，而τ子的探测与之前类似，利用其全轻衰变后偏离原始运行方向的特点，如同飞行途中突然被踹了一脚。利用这样的原理，2000年DONUT实验找到了四个有效事例，最终获得了τ子中微子存在的证据，其显著性大约3.5σ。进入新世纪的头十年很平静，但是2011年的时候出现了一点插曲，这一年的春天垂死的Tevatron搞出了一个大乌龙，按照计划LHC稳定运行之后Tevatron已经完成了任务，它将在2011年10月被关闭。可是四月份的时候，CDF组分析W粒子和一对喷注联合产生的数据时，意外地发现两个喷注的不变质量在120GeV-160GeV之间显著高出本底，也就是之前我们说的，这里发现了一个共振峰，其显著性超过4σ；到了夏天利用更多数据，分析结果显示显著性已经达到4.7σ。按照以往的经验，这意味着存在一个质量在140GeV左右的新粒子，它可以与W粒子联合产生并且会衰变到一对喷注，并且这个过程在Tevatron的产生截面大约是4pb。按说这是一件非常让人兴奋的事情，如果真的存在这么一个粒子，就意味着电弱标度的物理远比标准模型的预期复杂，还有大量的信息可以挖掘。但是现实并没有这么美好，同样在分析Tevatron数据的D0组在这个质量区间并没有发现任何可疑的超出，两组的结果无法互相印证。而LHC的质心系能量提高到7TeV之后，也立即对这个可疑的信号进行了寻找。按照LHC的能量和亮度，如果这个信号是真的，在LHC上一定会有更显著的证据，但是事实上LHC上并没有找到这样一个粒子，甚至将它的产生截面上限估计为1.3pb，如此CDF的分析结果看起来很不可靠。CDF组对此也进行了检查，大概一年多以后，他们终于找出了背景分析中的错误，重新分析的结果显示并没有显著高出背景的信号，这个乌龙也告一段落。【目前未完结】
这种题，可以开好几门课了
不是做实验的，抛个砖。早期使用的是云室之类的东西，带电粒子在磁场中转圈，云室可以捕捉轨迹，然后可以算出荷质比。不同荷质比对应不同粒子。但是这个方法对反应截面也有一定要求，而且一般来说必须带电。基本粒子谱中除了最轻的几个粒子其它的都会衰变，有一些半衰期长一些可以可以到达探测器，叫亚稳定粒子；大部分半衰期很短在产生后的一瞬间就衰变了，叫不稳定粒子。对于亚稳定粒子，我们直接用类似原来云室的方法，探测它在一些介质中运动所生成的轨迹。其中也有无法探测的，比如中微子，既不带电又不和通常物质发生作用（强度很低），则被称为“消失的能量”（missing energy），我不清楚它是怎样被“证实”的，只知道它是作为鬼混一般的missing energy被提出的，我相信现在有一些特殊的实验可以直接探测它（尽管相互作用强度低，只要数量多，还是会有些信号的）。对于不稳定粒子，由于它们根本到不了探测器，所以只能靠运动学的计算来得到。最常用的方法是不变质量（invariant mass），即这种粒子的所有衰变产物的总能量和总动量肯定满足它的质能关系。这就要求我们的探测器总够灵敏，可以识别一次衰变的所有产物，并探测其能量动量。如果某些粒子的总能动量在质量谱上有个尖峰，就说明这一次反应中这几个粒子是从一个确定质量的重粒子衰变而来的。进而通过这个衰变的守恒律，得到这个重粒子的各种性质（各种量子数）。当然，这里就有许多可能的问题，首先就是探测器精度，其次是是否能捕捉到所有产物（比如中微子就捕捉不到，这种情况下就要用更复杂的运动学技巧比如MT2），还有个关键就是降噪。
lz的问题都很尖锐和直接，很好的问题。下面我尝试回答一下，有什么问题欢迎挑错。1. 测试某种粒子是否存在的实验是如何设计出来的我把粒子分为两种：第一种是寿命比较长的，比如我们所熟知的电子和质子，还有muon, pion和kaon（粒子物理里头很多粒子都是以on结尾的），后面三个粒子其实寿命也是很短的，只有10^(-6)~10^(-8)s的量级，但是相比于其他不稳定粒子已经算是很长寿了。如果这些粒子以很高的速度运动，那么借助于相对论效应，在静止系下这些粒子会经过很长时间才衰变，我们有可能直接观察到它们的运动轨迹。其实最早的时候这些粒子就是这么直接看到的，当时是用云雾室，气泡室或者核乳胶直接观察的。下图是安德森发现正电子的图。据说开啤酒的时候运气好可以看到muon穿过，但是我从来没见到过。第二种是寿命非常短的，一般是10^(-16)~10^(-25)s，也就是比fs还要小许多倍。显然我们是不可能直接看到这些粒子的。那怎么办呢？假设有不稳定粒子A，它在很短时间内就衰变了，但是它的能量会分配给它的衰变产物，一般来说最终的衰变产物是第一种中提到的寿命较长的粒子，这里称为B,C,D...。B,C,D的动量和能量信息是可以用探测器测量的，通过这些信息可以算出A的质量。如果在质量谱上出现一个明显的峰，我们认为这就是一个粒子。在得到质量谱之后，通过不确定关系，我们可以估计A的寿命。上面提到的10^(-25) s 等是这么估计出来的，不是用秒表或者高级的原子钟技术掐出来的。大多数粒子都属于第二种。要测试它是否存在，我们就找出它可能的衰变方式。比如J/psi 会衰变成两个muon。那我们就在对撞的产物中找到所有的muon的组合并计算它们的不变质量。（这其中可能会有本底，也就是通常说的噪声，别的过程也可能会产生两个muon。）找到一个峰，就说明我们可能发现了一个新粒子。（当然，现在大多数情况你只是看到了一些本底而已，本底也可能造峰）。所以要测试粒子是否存在，主要的设计过程就是找容易筛选的衰变道。（所以有时候我觉得现在的高能物理实验是个体力活，因为门槛很低，实验方面的事情都是别人做好的，大部分时候你只要会两行C++脚本就能够做课题发文章了，不需要对物理有什么精深的理解。）二，如何从一堆实验数据结果中，判断出游某种粒子（请用已经证明存在的粒子，做个具体介绍它是怎么从数据中被推断出来存在的，比如随便问一个，胶子，夸克是怎么证明存在的）具体的方法就是上面所说的，画出图之后用眼睛瞅就行了。下面是丁肇中1974年发现Jpsi粒子时的图片。(题外话，据说当年老丁组内发现了这个新粒子，一直在秘密审查没有投稿。不知道被谁走漏了风声，被SLAC的一帮人知道了，SLAC的人赶紧把正负电子在这个能量点对撞，也发现了J/psi。最后诺贝尔奖是老丁和SLAC的另一个人一起拿的。)当然，现在的实验比当初要复杂许多，有更多的本底，信号可能更少，所以需要一些复杂的触发和选择来除掉本底，像atlas和cms的Higgs search应该都用了一些机器学习的办法，比如BDT等。但是本质上都是一样的，Higgs粒子最终发现时也是画出了质量谱，上面有个鼓包。夸克和胶子这两个粒子比较特殊，因为它们不能单独存在，必须结合在一起成为强子。单独的夸克或胶子一旦产生，它就从真空中拖出许多其他夸克和胶子，最后形成许多基本朝同一个方向运动的粒子，称为一个jet（喷注）。所以不管怎么样，你都不能像上面那样画质量谱看到夸克和胶子的。具体的发现我了解得不多，稍微说一下吧。对于夸克，可以用高能电子束流轰击质子，这里电子束流可以认为是一个探测工具，科学家从电子束流的散射角分布中推断出质子内部有“点粒子结构”，也就是夸克。而胶子更特殊，它是一个中性粒子，不能直接跟电子反应。就像电子可以辐射光子一样，夸克也可以辐射出胶子。而在电子-电子对撞中，正负夸克都是成对产生的，所以通常情况下会有两个jet。但是如果运气好，其中一个夸克辐射出了一个胶子，并且这个胶子所产生的jet跟夸克的jet可以区分开，这时候我们就可以看到有三个jet了。这就是著名的three-jet event。它是目前为止胶子存在的最直接的证据。顺便说一句，1976年大名鼎鼎的吴秀兰吴老板第一个做出了three-jet图，所以可以说吴老板在发现胶子这事情上有非常重要的贡献。
这里有一个视频介绍了大型强子对撞机上的ATLAS实验是如何工作的，里面介绍了不同的粒子是如何被探测到的，很有意思。视频是英文的，不过视频动画非常形象，即使不理解英文也能看得出不同粒子的探测方法的异同。
谢邀那要写挺长一个贴啦。老师告诉我们，在实验物理学家给我们的能量——概率图上有一个峰，就代表有一个粒子。因为我们的费曼图里有一项1/（k2-m2）。这一项在k=m时会出现无限大，反应在能量——概率图上就是在这个能量上，发生概率非常非常高。然而实验物理学家给我们的到底是谁的能量——概率图呢？是中间粒子的，或者说，是理论上预测说a和a‘粒子碰撞，生成b粒子，b粒子又一定会分裂成c和c’粒子。这个图就是通过a和a粒子的总能量——对应产生c和c‘粒子的概率的图。那么也就是说，有c和c’出现，就说明有b出现。而a和a‘粒子的总能量（a和a’在对撞）就是b的能量。我们一次一次加大a和a‘的能量，并且每次都找出c和c’出现的概率，就是在找b的能量和b出现的概率关系。又通过第一段的叙述可以知道，当能量=质量的时候，b就会出现很多，反映在图上就是有一个峰。那个峰对应的能量就是b粒子的质量。实验上的事情懂得不太多，他们还需要很复杂的去除无效实验，分析哪里有峰等等等等的工作，但是我们理论物理上基本的道理就是这样。
不邀而来。被题目击中了，我是做高能实验的，具体是 LHC 上的 ATLAS 实验，这个问题问得一发入魂。不过要想讲得很清楚，得花差不多三章博士论文的篇幅。所以，先占坑……忙完手头的事后来慢慢填。
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