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图13-6 模拟超环面仪器探测器的一个事件。该图模拟横向粒子束穿过探测器各层（注意，图中的人物是用来进行对比的，对撞发生时是没有人处在其中的）。其中，特别的环形磁铁清晰可见。（感谢CERN与ATLAS友情提供图片）
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标准模型粒子都被其质量、自旋以及相互作用类型所刻画。不管最终产生出什么，两个实验都依赖已知标准模型的力和相互作用来探测它。那就是所有的可能性。不带电的粒子会不留痕迹地离开相互作用区。
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当实验测量标准模型的相互作用时，它们可以确认通过的是什么，这就是探测器设计出来的目的。紧凑μ子线圈与超环面仪器都测量光子、电子、μ子、τ子以及强相互作用力粒子，它们被纳入沿着几乎平行方向运动的喷射流中。检测质子对撞区域所发出粒子的探测器被设计成可以测量能量与电荷以此甄别粒子，它们还包含复杂、设计精良的计算机硬件、软件与电子器件来处理铺天盖地的数据。实验物理学家可以确认带电粒子，因为它们与其他已知的带电物质相作用。他们还发现了其他由强相互作用力联系的物质。
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探测器组件最终依赖电线与电子来记录所通过的物质——那些电子是由反应产生的粒子与探测器材料相互作用所产生的。有时因为产生了众多的电子和光子，出现了带电粒子雨（particle shower）[52] ；有时仅限于材料被记录的电荷所电离。但不管哪一种情形，电线记录信号并将之传送给物理学家以供他们在计算机上处理和分析。
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磁铁对于两个探测器都至关重要，它们对测量电荷符号与带电粒子的动量都是不可或缺的。电磁相互作用中带电粒子在磁场中根据它们运动速度的大小发生相应的偏转。有着更大动量的粒子，路径更直，并且带不同符号电荷的粒子的偏转方向不同。大型强子对撞机的粒子能量（以及动量）如此之高，实验中需要采用非常强的磁铁，才有机会测量高能带电粒子那弯曲很小的轨道。
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紧凑μ子线圈仪器是两大通用型探测器中尺寸较小的一个，但是它更重，重量高达12500吨。它的“紧凑”尺寸为：长21米、直径为15米，它比超环面仪器小，但其占地面积可以占一个网球场。
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紧凑μ子线圈最显著的特征是它的强磁场达到4特斯拉，这是它名字中“线圈”部分的由来。探测器内部的线圈由一个直径为6米的柱状超导电缆线圈组成。在探测器外围一圈的磁返回轭也非常可观，占据了绝大部分的重量，它的含铁量比巴黎埃菲尔铁塔还高。
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你也许对紧凑μ子线圈中“μ子”的来源感到好奇（我第一次听到这个名字时也一样）。快速确认高能电子与μ子（电子的较重部分，可以穿透到探测器外层）在新粒子探测中是非常重要的，因为这些高能粒子有时产生于重物质的衰变。由于这些重物质不参与强相互作用，它们很可能是新的东西，因为质子并不是自动产生它们的。而这些轻易可以确认的粒子（电子和μ子）为此可以指示从对撞中产生的衰变粒子。紧凑μ子线圈中磁场的设计初衷就是重点关注高能μ子，以便能够引发它们。这表明它将记录任何与μ子相关的事件数据，哪怕它被迫为此要牺牲掉许多其他数据。
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超环面仪器与紧凑μ子线圈相似，它的名字中也指示了磁铁的存在，因为大磁场也是它运作的一个关键。如前所述，超环面仪器的英文是“A Toroidal LHC ApparatuS”。“环面”（toroid）指的是磁铁，它的磁场没有紧凑μ子线圈那么强，但是遍布广泛 。这个巨型环形磁铁使得超环面仪器成为两个通用型探测器中尺寸更大的一个，并且是迄今为止最大的实验仪器。它长46米、直径为25米，贴合地安置于一个55米长、40米高的洞穴中。超环面仪器大约重7000吨，是紧凑μ子线圈重量的一半多。
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为了测量粒子的性质，越来越多的大型柱状探测器元件被安置在对撞发生的区域。紧凑μ子线圈与超环面仪器都有几个测量粒子轨道与电荷的嵌入单元。对撞产生的粒子首先遇到内层追踪器（inner tracker），它可以精确测量带电粒子接近对撞点的路径；接着遇到的是量能器（calorimeter），它可以测量由被截停粒子造成的能量沉积；最后是外围μ子探测器，它可以测量穿透力极高的μ子能量。每一个探测元件都有很多层级来增加每个实验的精度。我们现在从最里层的探测器出发到最外层，来一次实验之旅，以解释粒子束离开对撞点后如何变成可记录、可确认的信息。
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三个追踪器，截获信号
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仪器最里层的部分是追踪器，即用来记录带电粒子离开反应区域的位置，以便它们的路径可以得到重现并且动量可以被测量。在超环面仪器与紧凑μ子线圈中，追踪器由几个同心部件组成。最接近粒子束与相互作用点的层级，划分最精细，也能获得最多的数据。硅像素（silicon pixel）有着极其微小的探测器元件，位于最里层区域，从粒子束管道里面几个厘米的地方开始。它们专为精确地跟踪非常接近粒子密度最高的相互作用点附近的区域。硅被用在现代的电子器件中，因为它的精致结构使它可以被切割成更小的部分，而粒子探测器也看中了这一点。超环面仪器和紧凑μ子线圈的像素元件被设计成能以高分辨率探测带电粒子。通过将点与点的连接与产生粒子的相互作用点相连，在内层区域非常接近粒子束的地方，实验物理学家找到了粒子的运动轨迹。
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紧凑μ子线圈探测器的前三层沿径向（向外11厘米）排列着100～150微米量级的像素，总计6600万个。超环面仪器的内层像素探测器也有相似的精度，它最里层的探测器可以被读取的最小单元是大小为50微米×400微米的像素。超环面仪器的总像素为8200万，稍微比紧凑μ子线圈多一点。
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有着上千万元件的像素探测器需要精细的电子读数。对于两大探测器来说，电子读数系统的广度与速度以及探测器内部承受的巨大辐射是两个主要的挑战（见图13-7）。
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图13-7 辛西娅和工程师多梅尼科·达拓拉（Domenico Dattola）站在紧凑μ子线圈其中一个硅追踪器舱壁前面的脚手架上。
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因为内部追踪器有三层，任何寿命足够长的带电粒子通过时，它们会记录三次闪光。这些轨迹一直延续到像素层以外的外层追踪器，产生一个强健的信号以便能够确认粒子。
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我与合作者马修·巴克利（Matthew Buckley）花了很多精力在内层追踪器的几何学上。我们意识到，由于纯粹的巧合，一些猜想的新带电粒子通过弱相互作用力衰变成其中性粒子时，将会留下一条只有几厘米长的轨迹。那意味着在这些特殊情形中，轨迹可能仅仅在内层延伸，以至于可读取的信息也全部都在这里了。若实验物理学家只能依赖于探测器内部最里层的像素探测器，我们认为他们会面临更多的挑战。
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然而绝大多数带电粒子可以存留到进入下一个追踪器单元，因此探测器会记录到一条更长的轨迹。所以，在内层高分辨率像素探测器之外，在两个方向上有着不同大小的硅条，其中一个方向较为粗糙。较长的硅条与柱状实验相容并覆盖了一个更大的可用区域（半径越大、面积越大）。
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紧凑μ子线圈的硅追踪器在它的中心区域总共有13层，前面与后面区域[53] 各有14层。在如前所述的前3个高像素层级后面有4层硅条，延展到半径55厘米处。在这里的探测器元件都是10厘米长、180微米宽的长条。其余6层在较为粗糙的方向上更不准确，由20厘米长、宽度从80微米～205微米渐变、延展到半径1.1米处的硅条组成。紧凑μ子线圈内层探测器总的硅条数目为960万。这些硅条对于重现那些带电最多的粒子的轨迹是至关重要的。总的来说，紧凑μ子线圈的硅覆盖总面积有整个网球场那么大（远比以前的最大硅探测器的2平方米优越得多）。
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超环面仪器的内层探测器延展到稍小一点的半径，即1米处，沿纵向有7米长。与紧凑μ子线圈一样，在内3层硅像素层之外的半导体追踪器（semiconductor tracker, SCT）由4层硅条组成。在超环面仪器中，其尺寸为长12.6厘米、宽80微米。半导体追踪器总的面积也极大，能覆盖61平方米。这些像素探测器对于重现接近相互作用点的精细结构非常有用，半导体追踪器是所有追踪器中最重要的一个环节，它的高精度与大面积覆盖区域（尽管只是在其中一个方向上），非常重要。
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与紧凑μ子线圈不同的是，超环面仪器的外层探测器不是由硅做成的。跃迁辐射追踪器（transition radiation tracker, TRT）——内部探测器的最外层组件由充满了气体的麦管（straw tube）组成，它同时被用作追踪器与跃迁辐射探测器。当带电粒子电离麦管中的气体时，它们可以被追踪和测量。麦管长144厘米、直径4毫米，有金属丝延伸到其中心探测电离度。麦管在横向方向上精度最高。麦管探测轨迹的精度为200微米，比最内层的追踪器精度低，但覆盖面更广。根据它们产生的所谓跃迁辐射，麦管探测器还可以区分速度非常接近光速的不同粒子。因为轻粒子通常运动速度更快，这也区分了不同质量的粒子，从而有助于确认电子。
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如果你觉得这些细节有点难以消化，那么你只须记住，这些信息对于绝大多数物理学家来说也有些过多了。它们只是提供给你一个关于尺度与精度的概念，但对研究特殊探测器组件的研究者来说很重要。哪怕是对于其中一个组件极其熟悉的人也不必对其他知识都一一了解。我也是在我出于研究要确认探测器图片是否正确时偶然学到的。假如你没有在第一时间掌握这些信息，你也不要觉得沮丧，很多实验物理学家也不必通晓每一个细节。