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粒子物理学的标准模型简洁地归类了我们目前对基本粒子及其相互作用的理解（见图14-1的总结）。
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图14-1包括分别罗列了左手与右手粒子条目，这些粒子根据其手征性区分。对于零质量粒子，手征性表示沿着运动方向的自旋。质量将两种手征性混合起来，例如左手和右手的电子。图中严格的左、右手区分性质没有它们之间相互作用的差别更重要。如果粒子都是零质量的，那么将上夸克变成下夸克或者将带电轻子转变为中性轻子的弱相互作用只作用在左手粒子上。另一方面，强相互作用力与电磁相互作用力在左手与右手粒子上均发生作用，但是在强相互作用力下只有夸克带荷。
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不仅包括上、下夸克与处在物质核心的电子，也包含许多其他有着同种相互作用的更重的粒子（通常不易在自然中发现的粒子），那些我们只能在高能对撞实验中仔细研究的粒子。绝大多数标准模型的要素，例如大型强子对撞机目前正在研究的粒子，都一直被完全埋没，直到20世纪后半叶由于新理论与新实验方法的出现，它们才得以被发现。
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图14-1 粒子物理学标准模型的元素，质量已标注，同时标注的还有左手或右手粒子。弱相互作用力可以改变粒子类型，并只作用在左手粒子上。
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在大型强子对撞机中，超环面仪器与紧凑μ子线圈实验都被设计成可以探测和鉴别标准模型粒子。当然，真正的目的超越了我们目前了解的知识，乃是为了发现新的粒子和相互作用来解决悬而未决的难题。为了能这样做，物理学家需要区分标准模型背景事件，确认可能从新奇粒子衰变出来的标准模型粒子。大型强子对撞机的实验物理学家就像侦探一样分析数据、拼凑线索，确定那里有什么。他们只有排除了所有熟悉的东西才能推导出新东西的存在性。
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在介绍完通用型实验之后，我们在这一章将重新“造访”它们，以便更好地理解大型强子对撞机的物理学家如何鉴别个别粒子。更熟悉粒子物理学的现状以及标准模型的粒子如何被发现，将有助于我们在后文讨论大型强子对撞机的探索能力。
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发现轻子
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粒子物理学将标准模型的基本粒子分成两类。一类是轻子，包括类似于电子、不参与强相互作用力的粒子。标准模型也包括两种较重版本的电子，它们与电子的电荷相同，但是质量大了很多，分别称为μ子与τ子。事实证明每一种标准模型的基本粒子都有三个版本，都有相同的电荷，但是相邻的每一代（generation）[55] 都比前一代重一些。但我们不知道为什么正好是三个版本的粒子，为什么这些粒子都具有相同电荷。诺贝尔奖获得者伊西多·拉比（Isidor Isaac Robi）听说存在μ子时，夸张地表达了他的困惑与感叹：“谁下的订单？”
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较轻的轻子是最容易被发现的。虽然电子与光子都在电磁量能器中沉积能量，因为电子带电而光子不带电，所以电子可以很容易从光子中区分出来。电子在到达量能器进行能量沉积之前，会在内层探测器中留下一条轨迹。
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μ子的确认也相对直接。就像所有其他较重的标准模型粒子，μ子衰变太快以至于无法在普通的物质中找到它们，因此我们很少在地球上发现它们。然而μ子的寿命又足够长，使得它们在衰变前可以到达探测器的外层。因此它们留下了长长的从内层探测器到外层μ子室的清晰可见的轨迹。μ子是唯一的标准模型粒子，它可以到达这些外层探测器并且留下可见信号，所以它们容易被挑选出来。
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τ子虽然可见，却不容易被找到。τ子与电子和μ子一样是带电粒子，它重得多。与许多重粒子一样，不稳定是其共性，也就是说衰变只留下其他粒子的痕迹。τ子快速衰变成一个较轻的带电轻子与两个叫作中微子的粒子，或者衰变成一个中微子与一个叫作π子的经受强相互作用的粒子。实验物理学家会研究这些衰变产物——从初始的粒子衰变得到的粒子来推断它们是否来自一个重的衰变粒子，以及在这种情况下，它的性质是什么。即便τ子没有直接留下一个轨迹，所有实验记录的衰变产物的信息也可以帮助确认它与它的性质。
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电子、μ子与更重的τ轻子带有电荷-1，与质子所带电荷相反。对撞也产生了伴随这些带电轻子的反粒子——正电子、反μ子与反τ子。这些反粒子带电荷+1，在探测器中留下相似的轨迹。然而由于它们的电荷相反，所以它们在磁场中会往相反的方向偏转。
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除了上述三种带电轻子，标准模型中也包含中微子，它们是不带电的轻子。三种带电轻子经受电磁力与弱相互作用力，中微子是电中性的，因此不受电磁影响。20世纪90年代以前，实验结果都暗示中微子没有质量。然而在那之后的10年，一个非常有趣的发现表明，中微子有非0的但是非常小的质量，它为标准模型的结构提供了重要信息。
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尽管中微子很轻，因此对撞机有足够的能量可以产生它们，大型强子对撞机却不可能直接探测它们。因为它们不带电，所以耦合很弱。它如此之弱，以至于即便每秒会有50万亿中微子从太阳而来并穿过我们，要是没人告诉我们，我们也根本无从得知。
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尽管中微子不可见，物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）却猜想它们的存在，作为解释中子衰变时能量走失问题的“救命稻草”。没有中微子带走一些能量，该过程的能量守恒就被打破，因为衰变后探测到的质子和电子的能量加起来与中子衰变前的能量不相等。即使卓越的物理学家尼尔斯·玻尔，那时也打算牺牲该守恒原理，承认能量有缺失。然而泡利更忠诚于已知的物理理论，他猜想能量的确是守恒的，只是实验物理学家不能看到电中性粒子把剩余的能量带走了。事实证明他是对的。
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泡利将这种假想的粒子命名为“中子”，该名称此后还被用于其他方面，也即，命名处在核子中的质子的电中性伙伴。故此，意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，发展了弱相互作用理论，最有名的是设计了世界上首个核反应堆）给此粒子起了一个可爱的名字——“中微子”，在意大利语中是“小中子”的意思。当然中微子不是个头小的中子，但是它像中子一样不带电，并且中微子比中子轻了太多。
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与其他标准模型的粒子类似，存在三种中微子。每一种带电轻子（电子、μ子和τ子）都有一种通过弱相互作用力来相互作用的中微子。[56] 我们已经知道如何发现电子、μ子与τ子。剩下的实验问题是实验物理学家如何发现中微子。因为中微子不带电荷而且耦合很弱，所以当它们离开探测器时，它们根本不会留下任何轨迹。大型强子对撞机的人要怎样知道它们在哪里？
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动量（当粒子缓慢运动时等于速度乘以质量；粒子以接近光速运动时，更像能量在特定方向的移动）在各个方向守恒。与能量相同，我们从未发现任何证据来表明动量可以缺失。所以，如果探测器中测到的粒子动量小于进入探测器的动量，那么一个其他粒子（或者多个粒子）必定已经逃离，而且在此过程中带走了缺失的动量。这种逻辑导致泡利在第一时间（当时是在核衰变的β衰变中）推断出中微子的存在性，这也是现今我们如何知道看似不可见的弱相互作用粒子的存在性的逻辑。
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在强子对撞中，实验物理学家会测量所有与粒子束相垂直的动量，并且计算是否有缺失的部分。他们关注于垂直方向，因为大量的动量被粒子沿着粒子束管道方向带走，所以在该方向上太难追踪。而垂直于初始质子的动量方向则容易测量和考虑得多。既然对撞前垂直于粒子束方向的总动量本质上为零，那么对撞后也应如此。因此如果测量与预期不同，实验物理学家就可以“测到”有物质缺失。剩下的问题是如何区分这些是哪种不参与相互作用的可能粒子。对于标准模型过程，我们知道中微子是不可探测的元素的其中一种。基于我们接下来要简单介绍的中微子已知的弱相互作用力，物理学家计算和预测了中微子的产生速率。而且，物理学家已经知道W玻色子的衰变应该如何，例如衰变得到的孤立电子或者μ子的横向动量带有相当于W玻色子一半质量的能量，这是相当独特的。所以使用动量守恒与理论输入，中微子可以被“找到”。显然，这些粒子的定义标签比我们可以直接看到那些粒子的少。只有理论的考虑与缺失能量的测量相结合，才可以告诉我们会有什么。
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我们在考虑新发现时保持这样的想法很重要。相似的考虑也适用于其他不带电或者所带电量低到无法被直接检测的新粒子上。只有一个将缺失能量与理论输入综合起来的考虑可以用来推断会存在什么。这就是为什么密闭性（检测尽可能多的动量）如此重要。
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发现强子
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我们已经考虑了轻子（电子、μ子与τ子以及它们伴随的中微子）。标准模型中其余类别的粒子被命名为强子，即相互作用为强相互作用力的粒子。这个类别包含了所有由夸克与胶子组成的粒子，例如质子、中子以及其他被称为π子的粒子。强子也有内部结构——它们是夸克与胶子通过强相互作用力结合起来的束缚态。
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