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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。
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电磁量能器（ECAL），搜寻粒子流
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一旦通过了上述三种追踪器，粒子在其沿径向往外的征程中，遇到的探测器的下一个环节是电磁量能器（electromagnetic calorimeter, ECAL）。它可以记录经停的带电粒子和中性粒子（主要是电子和光子）的能量沉积以及它们离开的位置。其探测机制是，搜寻入射电子或者光子与探测器材质发生碰撞时产生的粒子流。探测器的这一部分会产生对粒子精确能量与位置的追踪信息。
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紧凑μ子线圈实验中电磁量能器的材料是一个奇迹。它是由钨酸铅晶体做成的，选材原因是由于这种晶体足够致密而又光学透明，正好可以用来截停和探测电子与光子（见图13-8）。最重要的是这种晶体的令人难以置信的清晰度，你恐怕从未见过这样的致密程度和透明程度。这种晶体之所以有用，是因为其测量电磁能量可以达到不可思议的精确度，这也是第16章要介绍的发现希格斯粒子的关键。
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图13-8 用在紧凑μ子线圈电磁量能器中的钨酸铅晶体。
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超环面仪器探测器用铅来截停电子和光子。在这种吸收材料中的相互作用，将能量从初始的带电轨迹转化成可以检测到能量的粒子雨。氩是一种惰性气体，与其他元素没有化学反应，并且抗辐射，液体氩被用于从粒子雨的能量中取样来导出入射粒子能量。
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尽管我偏好理论，但超环面仪器的探测元件也令我着迷。法比奥拉参与了这个量能器的前沿几何设计与构建——沿着径向呈手风琴状层叠的铅板，层与层之间有一个薄层的液体氩与电极。她描述了这个几何形状如何能更快地读取电子，因为电子更靠近探测元件（见图13-9）。
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图13-9 超环面仪器电磁量能器的手风琴状结构。
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