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图14-3 一个关于如何将标准模型粒子从探测器中区分出来的概括。中性粒子在追踪器中没有记录。带电和中性强子可以在电磁量能器中沉积少量能量，但是会在强子量能器中沉积几乎全部的能量。μ子会穿透到外层探测器。
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测量完喷射流的性质，要分辨出不同的夸克或胶子引发的喷射流，虽然这样并非完全不可能，但也极具挑战性。与下夸克带有相同电荷的底夸克（以及较重的奇异夸克）是这一类中最重的夸克，它是该原则下的一个特例。底夸克之所以特殊的原因是，它比其他夸克衰变得慢。其他不稳定夸克在产生后立即衰变，所以它们的衰变产物似乎在质子对撞的相互作用点就开始它们的运行轨迹了。然而底夸克存在的时间足够长——大约1.5皮秒（picosecond，10-12秒），也即有足够的时间以光速来运行半毫米，它们会在相互作用点留下一条可以观测到的足够长的轨迹。内层硅探测器探测这个偏离顶点，如图14-4所示。
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图14-4 底夸克构成的强子存在的时间足够久，在衰变成其他带电粒子前，在探测器中会留下一条可见的轨迹。在硅顶点探测器中留下一个结（kink），可以被用于鉴定底夸克。这张图来源于顶夸克衰变图。
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当实验物理学家从底夸克重建轨迹时，它并不会延伸回事件中心的初始相互作用点。该轨迹反而看起来是从内部追踪器的底夸克衰变点出发的，在轨迹中留下一个结——一个连接进入的底夸克和衰变产物的结。A在硅探测器的精细划分之下，实验物理学家可以看到靠近粒子束的轨迹的细节，从而在相当一部分时间中确认底夸克。
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A如果初始的b介子（meson）是电中性的，你只能看到从衰变点出发的轨迹，而看不到从中性态出发的标识轨迹。
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另一种实验上有优势的夸克是顶夸克，它很特殊，这是因为它的质量非常大。与上夸克所带电荷相同的三种夸克（还有一种是粲夸克）中，顶夸克是最重的。它的质量是带不同电荷的底夸克的40倍，是带相同电荷的上夸克的30000倍[58] 还多。
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顶夸克重到它们的衰变产物会留下不同的轨迹。当一种较轻的夸克衰变时，因为衰变产物与初始粒子相似，以接近光速运行，所以它们一起运动，看起来是一个单独的喷射流——哪怕喷射流来源于两个或更多不同的衰变产物。另一方面，除非顶夸克是极端高能的，它们会衰变成底夸克和W玻色子（带电的弱规范玻色子），而且可以通过发现这两者来确认顶夸克。因为顶夸克的重质量意味着，它与希格斯粒子和其他我们希望能尽快理解的弱尺度物理中的粒子相互作用的紧密联系。顶夸克和它们相互作用的性质可能为标准模型下的物理理论提供有用的信息。
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发现弱相互作用力载体
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在我们结束讨论如何确认标准模型粒子之前，最后要考虑的粒子是弱规范玻色子——两种W玻色子和Z玻色子，它们是传递弱相互作用力的媒介。弱规范玻色子性质特殊，与光子和胶子不同，它们质量非零。传递弱相互作用力的规范玻色子的质量，造成了标准模型中主要基本疑难问题的产生。W与Z玻色子的质量（以及本章讨论的其他基本粒子的质量）来源于希格斯机制，我们马上介绍。
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W与Z玻色子很重，所以这些规范玻色子会衰变。这意味着，W与Z玻色子以及顶夸克与其他不稳定的重粒子，可以通过寻找它们衰变产生的粒子得以确认。由于重的新粒子很可能也是不稳定的，因此我们将使用弱规范玻色子来举例说明衰变粒子的另一种性质。
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图14-5 W玻色子可以衰变成带电轻子以及它伴随的中微子，或者上夸克-下夸克，或者粲夸克-奇异夸克。实际上，物理粒子是不同类型夸克或者中微子的叠加态，这允许W玻色子有时可以同时衰变成不同代的粒子。
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W玻色子会与所有感受到弱作用的粒子（也即我们已经讨论的所有粒子）相互作用。这让W玻色子有多种衰变的选择。它可以衰变成任何带电轻子（电子、μ子与τ子）以及它们伴随的中微子。它也可以衰变成上夸克-下夸克或者粲夸克-奇异夸克对，如图14-5所示。
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粒子的质量在决定其衰变方式时也很关键。一个粒子只能衰变成几个质量之和小于初始粒子的其他粒子。虽然W玻色子也与顶夸克和底夸克相互作用，但是顶夸克比W玻色子重，所以衰变是禁止的[59] 。
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让我们假设W玻色子衰变成两个夸克，因为在这种情况下实验物理学家会测量两个衰变产物（这不适用于衰变成轻子和中微子的情况，因为中微子是测不到的）。因为能量、动量守恒，所以测量夸克的末态（final state）总能量和动量告诉我们，衰变成它们的初始粒子，即W玻色子的能量和动量。
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此时，爱因斯坦的狭义相对论与量子力学使得故事变得更有趣。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们质量如何与能量和动量联系。绝大多数人知道E=mc2 。如果将m换成m0 （即当粒子静止时它的内禀质量），该公式对于静止的粒子也适用。一旦粒子运动，完整的公式变为E2 -p2 c2 =m20 c4 。[60] 在这个公式下的能量和动量使得实验物理学家可以推导出粒子质量，即便初始粒子早已通过衰变消失了。实验物理学家只要将所有动量、能量加和并应用该方程，初始的质量就可以确定。
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量子力学发挥作用的原因更微妙。一个粒子表面看起来并不总是有真实的质量。因为粒子可以衰变，量子力学不确定关系说需要用无限长时间来精确测量能量，它也告诉我们，任何粒子如果不能永远存在，那么它的能量也不能被精确知道。与能量精确值的偏离越大，衰变越快、寿命越低。这意味着在任何既定测量中，质量可以逼近（但不能等于）真实的平均值。只有经过很多次测量实验物理学家才能导出粒子的质量（最可能值以及平均收敛值）与寿命，因为这是粒子在衰变前存在的时间，它决定了粒子的质量展宽（见图14-6）。对于W玻色子来说是这样，对于其他衰变粒子也是如此。
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图14-6 衰变粒子的测量值以真实质量为中心，但是允许一个由其寿命决定的质量展宽值。该图刻画的是W规范玻色子。
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当实验物理学家使用本章所描述的方法将他们所测量数据的整合起来时，他们可能发现标准模型粒子（见图14-7标准模型粒子及其性质总结）[61] 。但是他们也可能最终确认一些完全新的东西。大家的希望是，大型强子对撞机可以产生新的奇异粒子，并产生对物质本质、乃至时空本身的更深层次洞见。本书下一部分将探索一些更加有趣的可能性。
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