物理學中的各種粒子，是如何通過各種實驗證實存在的？

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外行。看到什麼強子，輕子，膠子，光子，各種夸克，我外行這麼分應該很混亂，請不要計較，這不是重點

我好奇的是那麼多種那麼非常非常微小的粒子，如何通過實驗證實存在的？問題分開來
一，測試某種粒子是否存在的實驗是如何設計出來的（我猜想一定是理論上證明有這種粒子，才會動手搭建實驗條件去證明的），一粒灰塵，能通過手工捕捉，然後粘在手上或透明膠上，我相信，一粒那麼那麼那麼微小的粒子，如何捕捉到，證明它存在的，我猜想那麼小的粒子是無法捕捉和採取樣品的吧，只是通過某種實驗除的證據，證明它存在，那具體過程能否介紹一下？

二，如何從一堆實驗數據結果中，判斷出有某種粒子（請用已經證明存在的粒子，做個具體介紹它是怎麼從數據中被推斷出來存在的，比如隨便問一個，膠子，夸克是怎麼證明存在的）

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前面方法論和細節大家說的都有，我來做一件比較傻的事情
我來盡量簡短地縷一遍各個粒子的發現（天啦嚕感覺自己在寫綜述（為何有種野史的感覺
沒有費曼圖！沒有裝置圖！放心看！當小說看！
感覺會很長。。。
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一. 基本粒子
1. 輕子lepton
（1）電子electron
可以說是人類認識的最早的基本粒子，當然現在仍然有很多人在做電子的內部結構研究，希望找到「更基本」的粒子。
我們略過人類對電的探索，從克魯克斯管說起。克魯克斯管可以認為是連電的真空管，在這裡粒子物理學史上大名鼎鼎的陰極射線被發現了。當然對於陰極射線的本質，一派認為是電磁波，一派認為是帶電粒子流。在陰極射線本質的大爭論背景下，我們的J.J.湯姆遜爵士登上了歷史舞台。他先證明這是帶電的粒子束，而不是電磁波，接著用電場和磁場的偏轉測量出這種帶電粒子的荷質比。因此確定，一種帶有與已知粒子性質不同的新的粒子被發現了。
電子代表一系列粒子，它們的發現沒有理論指導，它們來自於無法解釋的現象-&>可能的新粒子-&>確認是與已知粒子不同的新粒子。
（2）mu子muon
Muon的發現起源於宇宙射線的研究，在電磁場中，有一條運動軌跡彎曲程度和其他已知粒子都不一樣的粒子。通過軌跡我們可以知道很多信息，假設這種粒子和電子的帶電量相同，我們就可以算出該粒子的質量。你要問了，為什麼要這麼假設，是因為這樣算出來的質量和理論大牛湯川秀樹預言的一種粒子是符合的。所謂理論的預言，就是理論學家為了使得自己的理論更好地解釋現象，而引入的新粒子，當然，如果在實驗上發現了預言的粒子，那麼將是對該理論極大的肯定。
muon代表一系列粒子，它們的發現雖然來自於新的現象，但是有理論的預言相輔助。
（當然我會告訴你湯川預測的其實不是muon而是pion嗎。。。。。（物理史是非常奇妙的
（3）tau子tauon
Tauon的來自高能實驗。哈哈哈我們的加速器和對撞機終於要亮相了。發現tauon的實驗是在斯坦福的直線加速器SLAC（SLAC三大歷史性發現之一啊），實驗做的是正負電子湮滅。因為四動量守恆無法滿足而產生無法解釋的新現象，證明至少有兩個未被探測到的粒子。所以tauon代表了另一系列的粒子，它們來自無法解釋的現象-&>可能的新粒子-&>並沒有直接探測到粒子。後面的中微子我們會看到也是這樣。但是我們對於一種新粒子的態度必須非常嚴謹，新粒子的正名必須要來自於直接的測量，tauon的質量自旋測量最後是德國DESY做的。
（4）中微子neutrino
neutrino的發現算是粒子物理史的著名故事。neutrino的發現是來自於beta衰變四動量角動量守恆無法滿足而產生的悖論，理論學家泡利假設beta衰變還產生了一種未被探測到的粒子。（當然如果你認為並沒有新粒子，並且你還能推翻能動量守恆，那就更厲害了！）（對了neutrino的名字是費米起的，那個時代貴圈超亂的，但是很嚮往啊QAQ）
關於泡利是誰，有一次我在世界奇妙物語里驚訝地看到這麼一幕：

對於neutrino的第一次直接探測在1956年，很漂亮的實驗，用的是beta衰變產生的（假設的）anti-neutrino誘發新的反應：反電子中微子+質子→中子+正電子，正電子和正常的電子很快湮滅成兩束gamma，中子可以被原子核俘獲產生gamma，這兩部分gamma最終可以被一起探測到，進而驗證了這個反應的發生。一定要說的是，這個探測方案最早是由王淦昌先生提出的。
值得一說的是，因為neutrino和其他物質的作用非常弱，所以導致了探測非常的難，而且它的性質又非常有意思，所以關於質量（標準模型認為質量為零，但是仍然很有爭議）手性等話題都是非常有意思。前段時間大亞灣發布了一次關於震蕩的結果，很漂亮我覺得。

2. 夸克quark
（1）上，下，奇夸克up, down, strange quarks
夸克模型是先由理論學家提出的。就像我們現在研究電子的內部結構一樣，對於早年就已經被發現的像質子中子這些強子，人們早就懷疑它們並不是真正的基本粒子，它們是有內部結構的。夸克模型就是這樣一種試圖解釋強子內部結構的理論。理論方面我快速帶過，Gell-Mann和Zweig提出了up, downstrange三味夸克。
前面提到的SLAC在1968年做了質子的深度非彈性散射（DIS）實驗。大家可以這樣理解這個實驗，用一樣東西去打質子，因為能量很大，所以可以打到質子內部去，進而探測到質子內部結構的信息。結果發現質子含有更小的點狀成分，它是由內部結構的，並且實驗結果可以用三個更基本的粒子的組成來解釋，這完全符合夸克模型對質子的描述（uud）。（盧瑟福實驗原子核結構的發現和這個優點相似！）
strange的證明其實是上面DIS的一個延伸。包含strange quark的介子其實很久之前就已經在宇宙線中發現了：Kion Pion。當然以上這些我們都可以說並不是一個非常嚴格的驗證，而是理論和實驗結果的一個重合，並不能真的證明那個更小的粒子就是夸克模型中的夸克。所以後續還有很多其他的實驗來比較各個方面和理論的吻合度，我就不都寫了。
（2）粲夸克charm quark
前面說完第一批up,down,strange，終於要講到歷史意義的charm了。理論上我不多說，籠統地講，當時理論上因為弱作用的一些不自洽的情況，Glashow和Bjorken預測添加了charm夸克以及canti-c夸克組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，可我一直以為他早就去世了，結果有一天他突然出現在我的一節課上的時候我整個人都驚呆了！）
十一月革命！聽起來就非常燃有沒有！SLAC和MIT（丁肇中組）兩個組在同一天的PRL上面發表發現新的介子，它們是同一個介子——被理論預言的J/ψ。而且兩個組當時誰都沒注意這個介子的預言，所以都不是為了它做的。。。

丁肇中手裡這張圖就是 @月之暗面的那張，感覺這個問題下面回答共振態探測的人最多，大家可以看看。。。比如@才不是笨蛋講的，我還沒想好有什麼更清楚簡單的方式能解釋清楚。。。
總之隨著J/ψ的發現，charm夸克的假設被驗證，夸克模型得到了一個非常重要的砝碼，在物理界終於開始揚眉吐氣—，—。
（3）底，頂夸克bottom,top quark
理論我們繼續帶過，籠統說是因為CP破壞的一些原因，理論上又引入了bottom和top。
方法和charm非常像，無非就是不一樣的channel和能量@@
兩個都是FermiLab做出來的，只是一個字1977年，一個在1995年，相差二十年，原因是top比想像的要重很多，相應地，想要產生它所需要的能量就要很高。

3. 規範玻色子
Fermion我們講完了接下來講Boson，簡而言之，Boson是標準模型里傳遞相互作用的粒子
（1）光子photon
光子是傳遞電磁相互作用的，關於光子我覺得情況有點複雜，我就不說了好嗎？
（2）W和Z玻色子WZ bosons
W和Z是傳遞弱相互作用的，它們是先由理論預測然後實驗再證實的。這三個bosons是在電弱統一理論中引入的，實驗是CERN做的。先是一個不是直接的探測，是在氣泡室裡面看到一些電子自動移動的軌跡，氣泡室是能顯示帶電粒子的軌跡的探測器，這個過程人們是認為是中微子和電子之間交換沒有電荷的Z boson的作用過程。W和Z都非常重，所以要在加速器上產生它們需要非常高的能量。1983年還是在CERN，超級質子同步加速器上直接探測到了W和Z。
（3）膠子gluon
膠子是傳遞強相互作用的，也就是夸克之間的相互作用。單獨的膠子因為色緊閉沒有被直接探測到過。膠子和夸克之間的相互作用會產生更多的膠子和夸克，它們會形成強子而非單獨的膠子，這樣就能被外界探測到。這些強子會形成噴注jet，每一個有一個噴注，最有名的實驗叫三噴注實驗，就是在正負電子湮滅中由一個夸克，一個反夸克和一個膠子形成的三噴注。
（4）引力子graviton
引力子是傳遞萬有引力相互作用的，現在還只是一個假設粒子。。。

4. 希格斯玻色子Higgs boson
這是理論中引入預測的粒子，籠統地說是給上面的規範玻色子質量的。
實驗在CERN的LHC上做的質子質子對撞產生Higgs，兩個探測器不同的衰變通道都有人在做，跟前面講J/psi的那個方法很像，只是J/psi換成了Higgs，ee換成了其他的衰變模式。2012年7月4號，當時cern向全球直播數據結果，CMS和ATLAS都宣布發現新的boson在那個質量位置上。我當時在家看的，還挺有感觸的，2008年9月10號LHC開始試運行，那時候我在高三準備物理競賽複試，但是那天大家還是很興奮地討論了很多自己也不懂的東西哈哈哈哈

二. 強子hadron
有點困我不想寫hadron了。。。
就寫一個吧，挺有意思的，以後有空我再把其他的補上
1. θ和τ
不知道大家還記不記得我前面寫neutrino的時候，我說在能動量守恆和可能的新粒子的矛盾中，泡利選擇了相信能動量守恆，預測有未探測到的粒子，另一方面，你也可以認為並沒有新粒子產生，而是能動量守恆本身是錯誤的。我的話里其實是有一點點點點諷刺的味道，但是其實事情並不總像我們深信的那樣。
θ和τ是兩個當時發現的介子，它們的幾乎所有的性質都一模一樣，只是它們衰變到的產物CP宇稱相反，那個時候人們認為CP宇稱守恆和能動量守恆是一樣的金律，那麼結果就是這兩個介子是不同的粒子，發現了新粒子！後來發生了什麼呢？兩位叫楊振寧和李政道的年輕人說，θ和τ是同一個介子，宇稱不一定守恆，後來吳健雄女士做實驗驗證了這一點。

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高能物理實驗其實有一些非常精彩的地方，向我前面描述的這些粒子的發現，可能被我描述得太平淡了，但是我覺得是相當驚心動魄也是非常讓人嚮往的年代吧。
最後這張圖是12年7月4日在CERN的報告廳報告發現Higgs實驗結果的現場

這幾位是幾位久負盛名的理論物理學家，包括提出Higgs機制的
Fran?ois Englert, Peter W. Higgs
幾十年之後看到自己設想的東西被變成現實，不覺得棒呆了嗎！

作為一個前粒子物理唯象研究者，我試著不用一張統計圖和一個物理公式來回答這個問題，如果有不恰當的地方請相關人士指正。

提主舉的例子很好，一粒灰塵，我們看到他，因為在陽光下我們可以用各種辦法「捕捉」它，當然這也只限於「光學觀測」了，根據量子場論的基本推論，探測物質的尺度跟能量成反比。當觀測物的尺寸小於探測物的德布羅意波長（這個是什麼可以不用理解，能量類似「探針」，如果「探頭」比觀測物還大那肯定無法」看「了）時，探測該物質就得換能量更加高的東西。比如使用高能的光子、高能的電子或是高能的質子。探測的相關問題，可移步目前認識物質世界的最大困難是什麼？ - One Two的回答，這裡不做過多說明了。進行小尺度的觀測，探測細胞，我們可以用顯微鏡；探測分子原子，我們只能用STM或TEM；而探測更小尺度的粒子，我們已經失去了任何「直觀」的」顯像「辦法，只能採用加速器進行對撞。

原子核有一些獨特的性質，除去物理模型（漸進自由），我們在實驗上，發現很難「打開」它。舉個例子，他好比一個堅硬的「鬧鐘」，我們可以在外面聽到它的」聲音「（核反應），看到他的錶針走動和磨損（原子衰變），但卻很難看到它裡面的結構。原子核內部的「粒子」似乎有極大的束縛能，把它們束縛在一起，「常態」下的任何辦法都只是，一個鬧鐘變成兩個小鬧鐘，或是一個大鬧鐘變成一個中鬧鐘同時放出很多「聲音」。那麼只有一個辦法看到裡面的結構，那就是撞碎他，然後從一堆的零散的零件和零件組合中，去摸索鬧鐘的構成。

這是個非常艱苦的工作。結合提主的問題，我們在諸如LEPII或是TeVTron或是LHC對撞機實驗中，真的「看到」粒子了嗎？沒有，我們只是「間接探測」到了粒子，而這個粒子甚至是我們用模型「定義」的。那麼有人就會問，什麼？你們自己定義的？你們怎麼區分這些粒子？又怎麼保證這些粒子是「新」的而不是你們自己瞎搞搞的？要回答這些問題，我們先得去看看，在對撞機里發生了什麼。

還是以LHC為例吧。大家知道的，LHC里有兩個大的小組，CMS和Atlas，其實這兩個小組只是對應LHC兩端的兩個探測器，每個探測器有一個對撞中心。LHC中間很長的一段都是用來做粒子加速的，目的是我上面提到的，用更高能量的物理探測更加微小的物質。那麼，探測器里探測什麼東西？比如，我們在LHC里把兩個高能質子撞碎了，或是說我們把兩個鬧鐘撞碎了，我們看什麼？其實原理很簡單。高中的洛倫磁力大家都學過吧，帶電粒子會在磁場中偏轉，我們確定某個粒子的性質，就是按這個原理。什麼？就這麼簡單？是的，就這麼簡單。CMS和Atlas裡面主要的東西，就是一個巨大的垂直磁場。但是，不幸的是，對撞機里，大部分的粒子都不穩定，他們會發生衰變，我們在對撞機能觀測的「末態粒子」少的可憐，只有電子、光子、部分亞穩態強子，mu子、質子等。越不穩定的粒子，其壽命越短，能在探測器中行進的距離越短，大部分不穩定粒子甚至在對撞點剛產生就衰變掉了。而稍穩定的末態粒子，其性質早在很久之前就被人們熟知，這些粒子是被基本的模型中「公認」的，已經在實驗上經受了無數檢驗，因此並沒有」發現「一說，我們對他們只是「測量」。我們測量的辦法，就是前面提到的洛倫磁力，先用偏轉方向確定粒子種類，然後用偏轉半徑或能量儲存器測定其能動量。那對很多不穩定粒子來說，就未必了。

要說明探測不穩定粒子的辦法，我們先要看對撞機里發生的物理過程。首先，兩個質子互相碰撞，發生所謂的「硬散射過程」（Hard Process），就是質子內部結構的夸克或膠子互相對撞，這個硬散射過程能量極高，可能會產生我們「未知」的粒子，也可能只是產生一些我們熟知的粒子。這個先不談。硬散射過程發生後，不穩定粒子馬上發生了衰變（Decay），衰變可能又會產生不穩定粒子，它們會繼續衰變，這就是衰變過程和次級衰變過程。然後，因為夸克膠子的不穩定性質，它們會發生強子化過程（Hadronlization），產生新的不穩定強子質子啊中子啊pi介子啊之類。有些強子不穩定啊，它們會發生強子衰變（Hadron Decay），最終產生一堆的光子電子質子mu子等我們熟知的穩態或亞穩態粒子（亞穩態的意思是長期看還是會衰變，但在探測器尺度內是穩定的）。

說到這裡肯定會有人問兩個問題：第一，你怎麼知道質子裡面是夸克膠子？即使是，我怎麼知道每個過程是哪個夸克跟哪個膠子撞？第二，你說的這些雜七雜八過程，好像都是你自己模型說說的，有什麼依據？第一個問題，質子內部結構研究，之前做了好幾十年了，他的性質（點粒子、漸進自由、強束縛）和模型早已清楚，在對撞機里我們只是運用這個結果而不是去探究他，畢竟這是初態過程。而哪次對撞到底什麼跟什麼撞，一般採用部分子分布函數，根據大數統計進行模擬本底，實際上我們不知道每次對撞到底發生了什麼，但我在統計上知道什麼對撞該發生幾次。第二個問題，這些過程雖然都是按建模進行處理，但大多子過程都經過實驗檢驗，否則建立量子場論和粒子物理標準模型就沒有任何意義，標準模型也經歷了幾乎所有實驗的檢驗，是可靠的。

所以我先回答提主的問題，膠子跟夸克怎麼證明其存在？實際上在高能對撞里我們無法證明（他們的性質在低能對撞中已經探測明了，至於怎麼探測，其實跟我們在高能中一樣，先假設他們為未知粒子，然後通過末態分析得到，但在高能探測里，我們假設他們為我們熟知的「已知粒子」），我們只能證明其」性質「。上面說過，發生硬散射過程後，膠子、夸克因為強束縛，在能量到達Lanbda_QCD之後，他們就會發生束縛，進行強子化，從而產生一堆強子還有衰變粒子。實驗上，我們不能確認某個硬過程末態是輕夸克還是膠子（重夸克除外，b夸克可以用b tagging辦法部分識別，Top夸克因為太重了，性質完全不同於其他夸克），我們只能看到兩個噴注（jets）。什麼？什麼是噴注？

這又要回到探測器了。LHC的探測器分為五部分：頂點探測器（Vertex Detector）、軌跡跟蹤器（Silicon Tracer）、電磁儲能器（Electromagnetic Calorimeter）、強子儲能器（Hadron Calorimeter ）、mu子探測器（Muon Chambers）。不同粒子在五部分會發生不同的「效應」，從而可以進行甄別和測量。在上面說的，對撞點附近發生硬散射、衰變、強子化、強子衰變等過程後，粒子撞入探測器，因為能量和行進方向慣性極高（Large Boost），他們會由對撞點向四面發散。部分低能的帶電粒子偏轉了，但高能粒子還是往前走。雖然有很多次級反應，而且部分粒子帶走了動量，但根據粒子慣性，大多次級反應的行進方向跟原硬散射過程中出射粒子的方向相同或相近，夸克和膠子會產生很多強子和次級強子還有光子電子一坨東西，他們沿著夸克膠子本來的行進方向，在電磁儲能器和強子儲能器里被減速，結果我們在探測器里就看到一束類似大喇叭型的前窄後寬的「噴注」，雖然電子和光子也會有其他反應，使得一堆粒子圍繞在他們面前而不是看到只有「一個」，但因為強子化和強子衰變帶走的縱向能量要遠大於光子電子，損失的慣性很大，因此「噴注」的角向寬度要遠大於電子光子質子之類，體現了其獨特特性。

LHC在實驗之後，都會記錄一堆的「事例」，這些「事例」以所謂的標準Les houches accord 標準記錄，其實就是一堆初態、末態粒子的能動量而已（質子對撞，初態粒子在單個事例中較為複雜，因為沒去過實驗室，我不清楚實驗上是通過什麼辦法進行初態確認，可能還是通過末態能量反推初態概率加成計算，據我推測可能實驗上的原始數據只有末態粒子信息而已，生成的LHA事例是數據分析後得到的）。接下來大量的工作不是實驗而是數據分析了。數據分析的主要工作，是將這些末態粒子「反推」前面說的過程，並「重構」（Reconstruction）中間態粒子。重構粒子的辦法一般通過「不變質量」進行。我們知道一個粒子衰變後，末態雖然帶著動量，但如果從相對初態粒子的靜止坐標系裡看，末態粒子的能量和就是初態粒子的質量，因此我們在計算末態粒子不變質量時，會在末態粒子質量這裡有個delta函數。但實際上，因為初態粒子是不穩定的，根據量子力學的原理，不穩定粒子會有一個」寬度「（半寬度的倒數即是其壽命），所以我們首先通過噴注、高能光子、高能電子、高能mu子，重構硬散射過程，然後通過硬散射過程的不變質量，做出不變質量-事例數的二維圖，就會在某個粒子質量附近看到一個明顯的峰，這個「峰」就是我們認為探測到的「粒子」。

比如雙光子道探測Higgs粒子，我們使用沒有Higgs粒子的模型，算一遍本底的的不變質量分布，然後使用有higgs的模型，算一遍信號的不變質量分布，然後做實驗，根據實驗數據進行數據分析，「重構」硬散射過程，然後用雙光子的不變質量分布，驗證是否有higgs，還是沒有。

說起來就一句話，但裡面的工作是非常非常艱苦的。為什麼要用末態雙光子道？因為強子對撞機里其背景很低但其實也不低，很多都不是樹圖階的過程，算起來非常繁瑣。這個背景在數據分析里非常關鍵。大部分higgs的衰變道，QCD的背景（不用管這是什麼，你可以把它看成是噪音）都把信號淹沒的一塌糊塗，這就好比，你用一個水泥塔測量水位，只有水泥塔最高刻度在水位之上，我們可以看到真實的水位，如果水都淹沒了水泥塔，甚至水位比水泥塔最大示數搞了幾個數量級，雖然水泥塔還在，我們卻看不到。「算一遍本底」，這句話好像很簡單，但真要計算是非常複雜的，這裡面的本底來源五花八門，在精確模擬中，甚至要模擬探測器的誤判，比如三個光子探測成兩個這種。「重構」硬散射過程？這個更加難了。這就好比在一堆10MM的細針中挑出兩個9.9MM的針。有些硬散射過程，末態粒子的能動量並非最高，次級過程的能量可能會超過「硬過程」，更何況在探測器里，光子這種粒子再常見不過。

這裡我們可以得到結論：我們首先有熟知的粒子和過程，然後用他們去探測「新粒子」，而我們無法"看到"這個所謂的新粒子，我們只是知道一旦有這個粒子，將在實驗上看到有不同於本底的信號，這些粒子都是理論和實驗自洽的結果。當我們熟悉這個「新粒子」屬性，我們知道了它的質量、寬度、自旋等等後，我們在模型中加入這個粒子，又去模擬和實驗下一個「新粒子」的探測，周而復始，構建了現在粒子物理的標準模型和實驗框架。當然有人說既然「看不到」，那我可以自建一套理論體系說明實驗，可以有不同的模型進行「粒子描述」？可以，只要你有這個本事，能解釋所有的現有實驗。只能說，我們現在的模型不是最完美的，但是卻是最「可用」的。

最後還是忍不住放個圖作個結尾吧。

舉個最近的栗子權作補充。

縱軸標的是觀察到一對光子的事件數目。
好像在 $m_{gammagamma}=125mathrm{GeV}$ 時，雙光子的產額微妙地增多了么，發生啥了呢？
發生了這個過程： $h^0 ogammagamma$ 。這個 $h^0$ 就是要找的新粒子：西格斯。
那 $m_{gammagamma}$ 是啥呢？假設光子一號的動量是(E1,p1)，二號動量(E2,p2)，那 $m_{gammagamma}=sqrt{(E_1+E_2)^2-(vec p_1+vec p_2)^2}$ 是為新粒子的靜質量。

嗯，所謂的「看到」就是那麼個包。

唉？你說要是這個包是AI造假忽悠人們的咋辦？這個世界好可怕……

參考：
http://www.slac.stanford.edu/~mpeskin/BeyondtheHiggs2014.pdf

這是個不錯的問題，題主雖然謙虛地自稱外行，但提問思路比較清晰，比很多提問得不知所云的真外行強多了。當年我還是外行中的外行時問題比這更多，一點一點地學過來了終於懂一些了。這個問題問著簡單但完整回答需要很大規模。上面One Two答得很好，我用苛刻的態度讀了兩遍沒找出什麼錯誤，點一個贊同不過癮又再追加個感謝。但是他只答了大型對撞機這一方面，還有不少補丁可以打；我盡量把補丁都打完，根據情況一次性寫好或者用連載，這段是前言。

正式回答問題前我先要提到，粒子的探測與物理過程的能量標度關係密切，這個能量標度可以理解為一個物理過程的典型能量動量轉移大小。用掃描隧道顯微鏡可以觀察的極限是分子原子尺度，再小的尺寸（對應更高的能量標度）就需要在加速器上利用加速後的電子或質子之類作為探針，對靶進行轟擊或兩束粒子對撞。越到微觀，不確定關係的影響就越顯著，所以針對一個能量標度上的物理進行測量，需要利用更高能量的初態入射粒子。當然宇宙射線等非加速器實驗也給了我們一個偶然的機會去發現許多新粒子，不一定要等到加速器上發現。這個回答里主要按照時間順序，以能量標度作為主線，關注原理和歷史上重要實驗，宇宙線等支線的問題隨時進來插播。

首先插播幾個早期的發現作為序幕。我們現在都知道原子由電子和原子核構成，而原子核一般是由質子和中子組成。電子是1897年Thomson研究陰極射線的時候完成的，它的質量約0.5MeV並且是穩定粒子。1911年的Rutherford實驗證實了原子大部分是空的，其質量集中在很小的核心中。八年後Rutherford又成功實現了人工核反應，並從產物中發現了質子。1932年Chadwick又在人工核反應中發現了中子。以上這些小故事應該在中學教科書里出現過，核反應的能量標度大約在MeV的量級上。在中子發現前還有一點插曲，之前β衰變中發現電子能譜是連續分布的，如果假設能量守恆依然成立，就意味著有一個不可見的粒子被釋放出來了。Pauli稱之為中微子，由於這個傢伙與普通物質的相互作用很弱，對它的探測是後話。

下一段還是插播。你說為什麼我一直在插播？因為三十年代到五十年代這段加速器進展緩慢，所以暫時還沒有進入主線，而針對宇宙線的觀測不斷給出新的信息。現在對撞機中使用的洋蔥式探測器那個時候還沒被發明，就算髮明了也沒法使用，早期的雲室以及後來出現的氣泡室是粒子探測的主要設備。這兩種東西原理上不複雜，都是以顯示粒子徑跡為目標，可以推測荷質比，對於不穩定粒子還可以觀察到其衰變產物並由許多事例估計壽命。宇宙線粒子射進雲室可以留下徑跡，這樣人類就可以從宇宙線中識別出一些新粒子。這裡比較重要的包括1932年發現的正電子，這是第一例反物質粒子，證明理論預言中費米子的電荷共軛態確實存在；1936年發現的μ子質量是電子的兩百多倍，是第二代輕子，當初一度被誤以為是核力的媒介，但因為它不參與強作用而被否決；還有1947年發現的帶電π介子、K介子等等。

我們現在知道QCD相互作用有一個內稟標度 $Lambda_{ extrm{QCD}} sim 0.1 extrm{GeV}$ ，耦合在這裡變得非常強從而帶來禁閉的效應，所以人們觀察到的是複雜的強子譜，直到後來有更高的能量可以將強子也打碎。值得注意的一點，上面一段我們沒有提到中性π介子。理論上預期它會衰變為兩個高能光子，1949年開始的一系列加速器實驗觀察到反常的光子分布提示一個中性π介子，而帶電π介子對質子的轟擊可以直接產生中性π介子，並且測量出其質量。高能光子的探測主要是利用光子與探測介質發生電磁相互作用中產生的簇射，能量遠大於1MeV的光子打到介質上會產生大量正負電子對。哦到這裡開始進入主線了，今後加速器將要起到越來越重要的作用。多說一句，實驗室有條件大量製造π介子了，人類們就考慮到建造π介子工廠，產生大量的π介子用於研究其性質，這個思路沿用到後來發現的許多新粒子。

剛剛進入主線就又要插播一節了。之前不是說到了中微子，對中微子的直接探測始於50年代。核反應堆可以作為一個大流量的中微子來源，但中微子參與的相互作用實在太弱。1956年薩凡納河反應堆處終於觀察到了中微子事例，他們利用了反中微子與質子散射放出的正電子，它與電子湮滅的信號被閃爍體捕捉到。六年後利用類似反應釋放的μ子，人們確認了第二種中微子。

回來主線，加速器技術一開啟就一發不可收拾，其中1955年的質子散射中發現了反質子，1956年剛不久的反質子作為初態與質子散射獲得了反中子。另一方面，配合氣泡室，陸續有大量新的共振態被發現。對於散射信息的分析方法大致有兩大類——例如π介子與核子散射實驗中，調節散射的能量會在許多特定位置發現截面變得很大，每個位置對應的就是一個s道共振峰，這個方法在之後初態能量可控的對撞機上很常用，無論是尋找新粒子還是專註於研究性質；另一種方法是在許多末態粒子中尋找特定末態的不變質量分布，不變質量的定義上面許多回答都提到過了，明顯高出本底的峰則意味著產生了一個共振態，這個方法後來在對撞機上用得非常廣泛。這裡可以舉例子，1961年利用末態兩π介子的不變質量分布發現了ρ介子，它的質量大約770MeV而寬度達150MeV。在這個能量區雖然也涉及從本底中抽取信號的問題，但畢竟背景相對簡單，不像後來的高能對撞機那麼費勁。這裡插一句長壽命K介子的發現，也是1956年。實際上發現長壽命K介子沒有採用新的探測技術，就是簡單的加速器加雲室，但是這個傢伙的發現意味著介子混合的測量拉開序幕。

下面開始的內容非常重要。早在1933年質子磁矩的測量就提示它不是一個點粒子，若干年後中子磁矩的測量也給出同樣的結論。1955年McAllister和Hofstadter利用能量約0.2GeV的電子束與核子進行彈性散射實驗，按照上文的估計，這意味著探測精度可以在1fm左右。在這樣的精度上，他們發現了微分截面的行為明顯偏離核子是點粒子的假設，這證實了核子是存在內部結構的。但是這個能量也剛剛達到QCD的標度，要想進一步探測核子的內部結構，還需要能量更高的電子束。從六十年代後期開始，斯坦福線性加速器中心（SLAC）開始進行能量超過20GeV的電子束與質子靶散射實驗，這樣高能量的電子與質子發生的散射過程動量轉移可以達到若干GeV，這足以激發核子的內部自由度。在深度非彈性散射實驗之前，夸克模型早已存在並且能夠用於理解複雜的強子譜，但許多人不認為夸克可以代表物理實體。深度非彈性散射實驗中發現單舉（inclusive）截面中得到的形狀因子對動量轉移的依賴很弱，和偶極形狀因子有巨大的差異，偶極形狀因子在大動量轉移區域是按照 $q^{-4}$ 的行為下降的。另一方面，形狀因子與一些運動學變數的簡單組合表現出無標度行為超出了當時的認知，而假設質子由一些關聯很弱的點粒子組成則可以很好地解釋這個無標度行為，Feynman將這些點粒子稱為部分子，這就得到了部分子模型的前身。這是一個意外的巧合，更多的實驗表明這個標度無關的行為只在特定條件才是成立的，但這個意外對後續的理論和實驗進展都產生巨大影響。此外後續的實驗發現夸克完全符合實驗要求的部分子性質，這是對夸克模型的肯定，雖然不能觀察到自由的夸克，但是分析與核子散射後的末態電子分布，相當於窺探到了核子的內部，或者用個噱頭說「看見夸克」。不過實際上這個說法可能很難讓人接受，畢竟沒看到就是沒看到，我怎麼能說看到了？但是越遠離日常生活，粒子就越難被人類的感官直接認識，後續的更多粒子都是通過類似的方式即相互作用來「看」，甚至更抽象地連這個相互作用都求之不得，只能去抓捕它留在世界上的遺迹。Friedman、Kendall還有Taylor因為深度非彈性散射實驗的工作獲得1990年的炸藥獎，他們顯然是當之無愧，關於這段歷史具體可以看他們當時的演講，發表在1991年的Rev. Mod. Phys.上。這個工作不但窺探到核子的內部，利用後續的更多實驗擬合出的部分子分布函數（PDF）還是現在強子對撞機的數據能夠被分析的基礎，因為高能強子對撞的背景非常複雜，只有準確地理解背景才有機會從中抽出隱蔽的信號來，其重要性不言而喻。

下面的事情開始和對撞機有關了，包括更多味夸克的發現，以及QCD相互作用要求的膠子。原來的實驗多是加速器配合固定靶，但如果將靶也加速起來與探針對撞，要達到同樣的動量轉移所需的加速能量就小多了。第四味夸克c的第一個實驗證據是1974年發現的c偶素，是一個質量大約3.1GeV的狹窄共振峰，被叫做J/ψ粒子。這兩個獨立的測量分別使用了上文提到的兩類方法——調整正負電子的能量尋找截面反常增高的位置；以及用質子與鈹散射並分析末態正負電子的不變質量分布，來尋找共振峰。1977年，費米實驗室上質子與重原子的散射實驗中，Lederman在分析一對正負μ子的不變質量時發現了一個窄共振峰，質量大約9.5GeV，是b夸克偶素。1975年起，正負電子對撞機開始觀察到噴注現象並對它進行研究，噴注是夸克強子化的過程中產生的。這裡面值得注意的是三噴注的事例，因為在電子對撞機上夸克一定是成對出現的，而三噴注的現象意味著有一個噴注是軔致輻射的膠子帶來的。1979年，德國電子同步加速器（Desy）的正負電子對撞機上首次觀察到了三噴注事例，這是膠子存在的證據。到這一步發現的夸克與膠子都是以強子的形式存在的，可以估計強子化的特徵時間大約在 $Lambda_{ extrm{QCD}}^{-1} sim10^{-24} extrm{s}$ ，非色單態的粒子只有壽命比這更短才能夠擺脫強子化的過程。多年後才發現的t夸克因為質量比W大很多所以衰變寬度很大，可以單獨存在而不是以強子的形式出現，這是後話了。順路插一段，第三代輕子τ是1975年在SLAC上通過成對產生髮現的，它是唯一可以衰變到強子的輕子，在後來的對撞機上它的判定比較困難。

這一段我要講W和Z粒子，它們被電弱理論要求，並且他們的質量分別被估計為80GeV和90GeV左右，這個估計利用了低能弱作用的強度和電弱混合角的測量。在質量大致清楚的情況下，尋找這兩種粒子設計的實驗有很強的針對性。歐洲核子中心（CERN）的超級質子同步加速器（SPS）上在1983年以質心系能量 $sqrt{s}=540 extrm{GeV}$ 的質子反質子對撞實驗中先後發現了W和Z粒子。對於W粒子，實驗利用了它的全輕衰變，末態為一個電子和一個中微子。電子的探測很簡單，但中微子與探測器的作用非常微弱，這意味著它的能量無法沉積到探測器中。參與硬散射的部分子只有小的橫動量，而中微子可以有較大的橫動量，這樣的事例在對撞機上的表現就是丟失的橫動量，即末態所有粒子的橫動量相加有一個較大數值，一般取丟失橫動量15GeV以上作為有效的事例進入下步分析。具體到W的產生，可以事先模擬出丟失橫動量的分布，在 $sum p_Tapprox m_W/2$ 處事例分布達到峰值然後出現一個陡峭的下降，利用這個典型的信號可以判斷W的存在並測量出它的質量。對Z的尋找道理上更簡單，利用Z衰變到一對正負電子（或μ子）的末態。分析末態中這一對粒子的不變質量，找到的90GeV附近的峰即可。雖然W和Z主要還是衰變到夸克，但是這兩個實驗沒有利用強子末態來尋找，因為強子對撞機上噴注背景非常複雜，輕子背景相對乾淨易分析。

在講發現過程非常曲折的t夸克和Higgs粒子之前，先插一段現代對撞機的結構及其對於各種粒子的鑒別方法。這裡大致分兩類對撞機，一類是低能對撞機，一般用正負電子為初態，質心系能量一般在若干個GeV到10GeV的範圍，特點是亮度非常大，末態粒子能量在0.1GeV以上到若干GeV，介子工廠一般屬於這一類，典型例子如日本KEK的B介子工廠；另一類是高能對撞機，可以是正負電子初態也可以是正反質子（或都是質子）初態，設計目標可以是發現更高標度的物理也可以是對粒子性質的精確測量，質心系能量對於電子對撞機一般在100GeV以上，而強子對撞機可達到若干TeV，這是因為加速質子的難度比加速電子更低，探測器搜集的末態粒子能量在數十GeV或更高，甚至達到1TeV以上，這類對撞機典型例子如CERN已經關閉的大型電子正電子對撞機（LEP）和正在運行的大型強子對撞機（LHC）等。現代對撞機的探測器直接搜集的是末態粒子的能量沉積，這兩類對撞機粒子的鑒別有一定差別，來源就是末態粒子典型能量的差異。

以KEK的B工廠為例，它選擇的主要對撞能量是 $sqrt{s} =10.58 extrm{GeV}$ ，即在Υ(4S)的產生閾，產生大量 $B_0$ 介子對。當然因為初態能量的調節比較容易，也會把一些對撞選擇在Υ(5S)的產生閾從而產生大量 $B_s$ 介子對。首先明確可以探測的粒子，因為B介子、D介子和τ輕子等會迅速衰變，只有它們的較穩定衰變產物與其他較穩定粒子可以進入探測器。這些穩定或壽命足夠長的粒子包括電子、光子、質子、中子、μ子、帶電π、K介子和長壽命K介子，中微子直接穿出探測器從而表現為能量丟失。這裡的探測器屬於柱形層狀的結構，就是前面所說的洋蔥式，主要結構包括——

徑跡探測部分，包括硅頂點探測器和漂移室，利用外加在探測器中的強磁場判斷帶電粒子的徑跡，可以獲得電荷與動量的信息，並淘汰掉橫動量不夠高的事例；
粒子鑒別部分，包括Cherenkov探測器和飛行時間閃爍計數器，用於對不同的帶電粒子進行分類鑒別，主要是針對帶電π介子與K介子的鑒別，實際上後三塊都屬於廣義上的粒子鑒別；
電磁量能器，上面提到過，利用電磁相互作用探測質量較小的正負電子和高能光子（相比Cherenkov輻射光），當然大質量帶電粒子也會沉積下部分能量；
μ子和長壽命K介子探測器，其他粒子大多已留在內層了，這一層位置最靠外。

注意以上只是以Belle探測器為例，SLAC上BaBar探測器與之有些小區別，但結構大致一樣。利用末態粒子的信息可以重建出D介子、B介子、短壽命K介子等已經衰變的前級產物。重建主要使用了不變質量、若干粒子的總能量等一些運動學變數的分布，針對一個特定的物理過程，這些運動學變數的聯合使用可以有效去掉大比例的背景事例。當然對於發射中微子的事例，這個重建並不完全，但已經可以抽取足夠的信息。此外，利用徑跡的信息可以重建出B介子從產生到衰變的飛行距離從而推斷其存在時間，這個時間在介子混合與CP破壞等物理的測量中非常重要（雖然在質心繫中兩個B介子幾乎是在閾產生，速度很小，但機器本身對電子和正電子就進行了不對稱地設計，電子的能量取8GeV而正電子是3.5GeV，這樣Υ(4S)粒子本身就以約0.39倍光速沿軸向運動；Υ(4S)通過強作用衰變，壽命很短，比起通過弱作用衰變的B介子可以無視）。此外在介子混合與CP破壞等測量中，標定中性介子的夸克味是很重要的，例如利用帶電D*衰變得到中性D介子時，會伴隨一個非常軟的帶電π介子，利用其電荷可以標定這個D介子到底是 $D_0$ 還是 $ar{D}_0$ 。

在高能的對撞機上，可以直接到達探測器的粒子還是上一段那些，但探測的粒子動量一般在幾十GeV甚至更高，搜集信息的時候有些區別。高能探測器的結構上面許多回答都提到了並且圖文並貌，看來答主們還是做這一塊的人更多點。探測器結構還是典型的洋蔥式，從內到外——

徑跡探測，利用強磁場使帶電粒子發生偏轉，獲得電荷和動量信息並篩選出橫動量足夠的事例，而用於分析的事例往往橫動量要超過10GeV或者更高；
電磁量能器，捕捉正負電子和光子專用的探測器，更大質量的帶電粒子雖然也會在電磁量能器留下少許能量，但基本可以穿出到後面的探測器；
強子量能器，搜集強子事例，一般硬散射過程得到的夸克、膠子末態會強子化，這個過程會產生許多強子形成一個噴注，強子量能器搜集的就是噴注里各個強子的能量，而對強子種類的鑒別比如對K與π的區分一般會很困難；
μ子探測器，油鹽不進的μ子很容易就穿透前面幾層到達這裡了。

噴注這個東西在高能對撞機上有很多，尤其是強子初態的情況下。針對噴注內部結構的研究比較容易識別出含b夸克的噴注，當然這個容易是相對其他強子鑒別而言，整體效率也就60%左右。而含c或s夸克的噴注與輕夸克、膠子噴注一般不予鑒別，因為非常困難，雖然研究噴注的內部結構可以發展一些鑒別方法。中微子的典型信號是丟失的橫動量，因為它與探測器各部分的相互作用都非常微弱，上面W粒子尋找的時候正是利用了丟失橫動量的分布。值得注意一個特殊的傢伙，τ輕子，雖然它的分類是輕子，但它有接近70%的幾率衰變到強子末態，而且一定伴隨釋放一個中微子，所以它的鑒別也比較難，整體效率與b夸克接近。大型對撞機往往帶有發現新粒子的任務，而新粒子一般是不能漫無目標地尋找，因為末態粒子實在太多了。這樣除了一些常見的盲測如抓取一對輕子測量不變質量分布之外，很多時候的尋找都帶有一定的目的性，比如尋找有理論預言的粒子。而且理論中存在的粒子衰變末態也可能十分複雜，實驗科學家也無所適從，從理論到實驗之間的跨度變得太大，這就需要另外一些人專門分析理論與實驗之間如何關聯起來的問題，這類工作就叫粒子物理唯象學。

上面兩段講了些現代對撞機的基本知識，這段開始回到問題的主線，用大機器時代兩個重頭戲結束這篇回答，這段先講t夸克的發現。這個傢伙的發現過程沒有W和Z粒子那麼順利，主要在於它的質量無法事先推斷。起初人們推測它大約有15GeV，這樣就可以形成30GeV左右的t夸克偶素。按照這個線索，當時的許多台正負電子對撞機進行了t夸克的尋找，但一無所獲。這時候人們知道t夸克和其他夸克很不一樣，可能比預想要重得多。發現了W粒子的SPS上曾經利用W的衰變末態尋找t夸克，仍然沒有任何痕迹。1988年Fermilab上的Tevatron開機運行，它利用能量900GeV的質子與反質子對撞（相當於 $sqrt{s} =1.8 extrm{TeV}$ ），是當時世界上最強大的對撞機，如此到兩年後t夸克的質量就被限制在91GeV以上。按照標準模型的預期，這個質量的t夸克將幾乎完全衰變為一個W粒子加上一個b夸克，之後這個b夸克強子化為一個b噴注進入探測器；而W將衰變到一個輕子加中微子，或者兩個夸克，這兩個夸克再強子化成為兩個噴注。在強子對撞機上t夸克主要是成對產生，這樣的末態比較複雜，重建並不簡單，尤其中微子表現為一個丟失的橫動量是無法完全重建的。此外為了尋找t夸克對的事例，還必須面對大量的背景事例，並盡量通過運動學分布將它們與信號事例做出區分。到1994年，Tevatron上已經把t夸克的質量限制在131GeV以上，並且出現了一些模糊的信號，這年的夏天，Tevatron解決了機器的一些故障進而迅速提升了機器的亮度。到1995年初，CDF和D0實驗組分別抽取出高出背景4.8σ和4.6σ的信號事例，至此t夸克終於被宣布發現。其質量在當時還無法精確測量，只能估計在175GeV附近。隨著Tevatron事例積累和LHC的開機，t夸克的質量被測量到 $(173.34pm 0.76) extrm{GeV}$ ，即大約0.4%的精度。這是因為t夸克的寬度大約在1.4GeV，已經遠遠超過 $Lambda_{ extrm{QCD}}$ ，所以它在強子化之前就已經衰變了，因而其質量信息保存得比較完整。除此之外，其自旋信息也因為極短壽命而保留下來，並體現在衰變產物的角分布中。

轉進支線，2000年的時候，Fermilab的DONUT實驗發現了τ子中微子。如果世界上只有三代費米子，那麼τ子中微子就是最後一個被發現的費米子。首先實驗中要用能量800GeV的質子轟擊鎢靶，這個過程會產生大量的帶電介子，它們的衰變產物中可以有許多中微子。因為入射質子的能量非常高，所以產物大部分是前向飛行，τ子中微子主要來自 $D_s$ 介子的衰變。高能τ子中微子進入探測乳劑後會發生散射產生τ子，而τ子的探測與之前類似，利用其全輕衰變後偏離原始運行方向的特點，如同飛行途中突然被踹了一腳。利用這樣的原理，2000年DONUT實驗找到了四個有效事例，最終獲得了τ子中微子存在的證據，其顯著性大約3.5σ。

進入新世紀的頭十年很平靜，但是2011年的時候出現了一點插曲，這一年的春天垂死的Tevatron搞出了一個大烏龍，按照計劃LHC穩定運行之後Tevatron已經完成了任務，它將在2011年10月被關閉。可是四月份的時候，CDF組分析W粒子和一對噴注聯合產生的數據時，意外地發現兩個噴注的不變質量在120GeV-160GeV之間顯著高出本底，也就是之前我們說的，這裡發現了一個共振峰，其顯著性超過4σ；到了夏天利用更多數據，分析結果顯示顯著性已經達到4.7σ。按照以往的經驗，這意味著存在一個質量在140GeV左右的新粒子，它可以與W粒子聯合產生並且會衰變到一對噴注，並且這個過程在Tevatron的產生截面大約是4pb。按說這是一件非常讓人興奮的事情，如果真的存在這麼一個粒子，就意味著電弱標度的物理遠比標準模型的預期複雜，還有大量的信息可以挖掘。但是現實並沒有這麼美好，同樣在分析Tevatron數據的D0組在這個質量區間並沒有發現任何可疑的超出，兩組的結果無法互相印證。而LHC的質心系能量提高到7TeV之後，也立即對這個可疑的信號進行了尋找。按照LHC的能量和亮度，如果這個信號是真的，在LHC上一定會有更顯著的證據，但是事實上LHC上並沒有找到這樣一個粒子，甚至將它的產生截面上限估計為1.3pb，如此CDF的分析結果看起來很不可靠。CDF組對此也進行了檢查，大概一年多以後，他們終於找出了背景分析中的錯誤，重新分析的結果顯示並沒有顯著高出背景的信號，這個烏龍也告一段落。

【目前未完結】

不是做實驗的，拋個磚。

早期使用的是雲室之類的東西，帶電粒子在磁場中轉圈，雲室可以捕捉軌跡，然後可以算出荷質比。不同荷質比對應不同粒子。但是這個方法對反應截面也有一定要求，而且一般來說必須帶電。

基本粒子譜中除了最輕的幾個粒子其它的都會衰變，有一些半衰期長一些可以可以到達探測器，叫亞穩定粒子；大部分半衰期很短在產生後的一瞬間就衰變了，叫不穩定粒子。

對於亞穩定粒子，我們直接用類似原來雲室的方法，探測它在一些介質中運動所生成的軌跡。其中也有無法探測的，比如中微子，既不帶電又不和通常物質發生作用（強度很低），則被稱為「消失的能量」（missing energy），我不清楚它是怎樣被「證實」的，只知道它是作為鬼混一般的missing energy被提出的，我相信現在有一些特殊的實驗可以直接探測它（儘管相互作用強度低，只要數量多，還是會有些信號的）。

對於不穩定粒子，由於它們根本到不了探測器，所以只能靠運動學的計算來得到。最常用的方法是不變質量（invariant mass），即這種粒子的所有衰變產物的總能量和總動量肯定滿足它的質能關係。這就要求我們的探測器總夠靈敏，可以識別一次衰變的所有產物，並探測其能量動量。如果某些粒子的總能動量在質量譜上有個尖峰，就說明這一次反應中這幾個粒子是從一個確定質量的重粒子衰變而來的。進而通過這個衰變的守恆律，得到這個重粒子的各種性質（各種量子數）。
當然，這裡就有許多可能的問題，首先就是探測器精度，其次是是否能捕捉到所有產物（比如中微子就捕捉不到，這種情況下就要用更複雜的運動學技巧比如MT2），還有個關鍵就是降噪。

Resonance

這種題，可以開好幾門課了

lz的問題都很尖銳和直接，很好的問題。下面我嘗試回答一下，有什麼問題歡迎挑錯。

1. 測試某種粒子是否存在的實驗是如何設計出來的
我把粒子分為兩種：
第一種是壽命比較長的，比如我們所熟知的電子和質子，還有muon, pion和kaon（粒子物理裡頭很多粒子都是以on結尾的），後面三個粒子其實壽命也是很短的，只有10^(-6)~10^(-8)s的量級，但是相比於其他不穩定粒子已經算是很長壽了。如果這些粒子以很高的速度運動，那麼藉助於相對論效應，在靜止系下這些粒子會經過很長時間才衰變，我們有可能直接觀察到它們的運動軌跡。其實最早的時候這些粒子就是這麼直接看到的，當時是用雲霧室，氣泡室或者核乳膠直接觀察的。下圖是安德森發現正電子的圖。據說開啤酒的時候運氣好可以看到muon穿過，但是我從來沒見到過。

第二種是壽命非常短的，一般是10^(-16)~10^(-25)s，也就是比fs還要小許多倍。顯然我們是不可能直接看到這些粒子的。那怎麼辦呢？假設有不穩定粒子A，它在很短時間內就衰變了，但是它的能量會分配給它的衰變產物，一般來說最終的衰變產物是第一種中提到的壽命較長的粒子，這裡稱為B,C,D...。B,C,D的動量和能量信息是可以用探測器測量的，通過這些信息可以算出A的質量。如果在質量譜上出現一個明顯的峰，我們認為這就是一個粒子。在得到質量譜之後，通過不確定關係，我們可以估計A的壽命。上面提到的10^(-25) s 等是這麼估計出來的，不是用秒錶或者高級的原子鐘技術掐出來的。

大多數粒子都屬於第二種。要測試它是否存在，我們就找出它可能的衰變方式。比如J/psi 會衰變成兩個muon。那我們就在對撞的產物中找到所有的muon的組合併計算它們的不變質量。（這其中可能會有本底，也就是通常說的雜訊，別的過程也可能會產生兩個muon。）找到一個峰，就說明我們可能發現了一個新粒子。（當然，現在大多數情況你只是看到了一些本底而已，本底也可能造峰）。所以要測試粒子是否存在，主要的設計過程就是找容易篩選的衰變道。（所以有時候我覺得現在的高能物理實驗是個體力活，因為門檻很低，實驗方面的事情都是別人做好的，大部分時候你只要會兩行C++腳本就能夠做課題發文章了，不需要對物理有什麼精深的理解。）

二，如何從一堆實驗數據結果中，判斷出遊某種粒子（請用已經證明存在的粒子，做個具體介紹它是怎麼從數據中被推斷出來存在的，比如隨便問一個，膠子，夸克是怎麼證明存在的）

具體的方法就是上面所說的，畫出圖之後用眼睛瞅就行了。下面是丁肇中1974年發現Jpsi粒子時的圖片。(題外話，據說當年老丁組內發現了這個新粒子，一直在秘密審查沒有投稿。不知道被誰走漏了風聲，被SLAC的一幫人知道了，SLAC的人趕緊把正負電子在這個能量點對撞，也發現了J/psi。最後諾貝爾獎是老丁和SLAC的另一個人一起拿的。)

當然，現在的實驗比當初要複雜許多，有更多的本底，信號可能更少，所以需要一些複雜的觸發和選擇來除掉本底，像atlas和cms的Higgs search應該都用了一些機器學習的辦法，比如BDT等。但是本質上都是一樣的，Higgs粒子最終發現時也是畫出了質量譜，上面有個鼓包。

夸克和膠子這兩個粒子比較特殊，因為它們不能單獨存在，必須結合在一起成為強子。單獨的夸克或膠子一旦產生，它就從真空中拖出許多其他夸克和膠子，最後形成許多基本朝同一個方向運動的粒子，稱為一個jet（噴注）。所以不管怎麼樣，你都不能像上面那樣畫質量譜看到夸克和膠子的。具體的發現我了解得不多，稍微說一下吧。對於夸克，可以用高能電子束流轟擊質子，這裡電子束流可以認為是一個探測工具，科學家從電子束流的散射角分布中推斷出質子內部有「點粒子結構」，也就是夸克。而膠子更特殊，它是一個中性粒子，不能直接跟電子反應。就像電子可以輻射光子一樣，夸克也可以輻射出膠子。而在電子-電子對撞中，正負夸克都是成對產生的，所以通常情況下會有兩個jet。但是如果運氣好，其中一個夸克輻射出了一個膠子，並且這個膠子所產生的jet跟夸克的jet可以區分開，這時候我們就可以看到有三個jet了。這就是著名的three-jet event。它是目前為止膠子存在的最直接的證據。順便說一句，1976年大名鼎鼎的吳秀蘭吳老闆第一個做出了three-jet圖，所以可以說吳老闆在發現膠子這事情上有非常重要的貢獻。

這裡有一個視頻介紹了大型強子對撞機上的ATLAS實驗是如何工作的，裡面介紹了不同的粒子是如何被探測到的，很有意思。視頻是英文的，不過視頻動畫非常形象，即使不理解英文也能看得出不同粒子的探測方法的異同。
ATLAS_Episode 2

不邀而來。

被題目擊中了，我是做高能實驗的，具體是 LHC 上的 ATLAS 實驗，這個問題問得一發入魂。不過要想講得很清楚，得花差不多三章博士論文的篇幅。

所以，先佔坑……忙完手頭的事後來慢慢填。

謝邀
那要寫挺長一個貼啦。
老師告訴我們，在實驗物理學家給我們的能量——概率圖上有一個峰，就代表有一個粒子。
因為我們的費曼圖裡有一項1/（k2-m2）。這一項在k=m時會出現無限大，反應在能量——概率圖上就是在這個能量上，發生概率非常非常高。
然而實驗物理學家給我們的到底是誰的能量——概率圖呢？是中間粒子的，或者說，是理論上預測說a和a『粒子碰撞，生成b粒子，b粒子又一定會分裂成c和c』粒子。這個圖就是通過a和a粒子的總能量——對應產生c和c『粒子的概率的圖。那麼也就是說，有c和c』出現，就說明有b出現。而a和a『粒子的總能量（a和a』在對撞）就是b的能量。我們一次一次加大a和a『的能量，並且每次都找出c和c』出現的概率，就是在找b的能量和b出現的概率關係。
又通過第一段的敘述可以知道，當能量=質量的時候，b就會出現很多，反映在圖上就是有一個峰。那個峰對應的能量就是b粒子的質量。
實驗上的事情懂得不太多，他們還需要很複雜的去除無效實驗，分析哪裡有峰等等等等的工作，但是我們理論物理上基本的道理就是這樣。

基本粒子的確證是個浩大的工程，是數代人的實驗與思辨，是幾千年的知識總結。當年玻爾茲曼與反對原子存在的人進行了數十年的大論戰，最後也未能說服反對派們相信原子的存在，他也因此而自殺。而原子真的存在嗎？現在大家以為是常識的東西在當年遠遠不是那麼顯然的。以下是電子的發現確認的最後幾步的詳述，這樣由點代面可以理解其他粒子的確證過程。

附：電子的發現

電子是人們最早發現的帶有單位負電荷的一種基本粒子。英國物理學家湯姆遜是第一個用實驗證明電子存在的人，時間是1897年。

湯姆遜是一位很有成就的物理學家，他28歲就成了英國皇家學會會員，並且擔任了有名的卡文迪許實驗室主任。

X射線的發現，特別是它可以穿透生物組織而顯示其骨骼影像的能力，給予英國卡文迪許實驗室的研究人員以極大激勵。湯姆遜傾向於克魯克斯的觀點，認為它是一種帶電的原子。

導致X射線產生的陰極射線究竟是什麼？德國和英國物理學家之間出現了激烈的爭論。德國物理學家赫茲於1892年宣稱陰極射線不可能是粒子，而只能是一種以太波。所有德國物理學家也附和這個觀點，但以克魯克斯為代表的英國物理學家卻堅持認為陰極射線是一種帶電的粒子流，思路極為敏捷的湯姆遜立即投身到這場事關陰極射線性質的爭論之中。

1895年，法國年輕的物理學家佩蘭在他的博士論文中，談到了測定陰極射線電量的實驗。他使陰級射線經過一個小孔進入陰極內的空間，並打到收集電荷的法拉第筒上，靜電計顯示出帶負電；當將陰極射線管放到磁極之間時，陰極射線則發生偏轉而不能進入小孔，集電器上的電性立即消失，從而證明電荷正是由陰極射線攜帶的。佩蘭通過他的實驗結果明確表示支持陰極射線是帶負電的粒子流這一觀點，但當時他認為這種粒子是氣體離子。對此，堅持陰極射線是以太波的德國物理學家立即反駁，認為即使從陰極射線發出了帶負電的粒子，但它同陰極射線路徑一致的證據並不充分，所以靜電計所顯示的電荷不一定是陰極射線傳入的。

對於佩蘭的實驗，湯姆遜也認為給以太說留下了空子，為此，他專門設計了一個巧妙的實驗裝置，重做佩蘭實驗。他將兩個有隙縫的同軸圓筒置於一個與放電管連接的玻璃泡中；從陰極A出來的陰極射線通過管頸金屬塞的隙縫進入該泡；金屬塞與陰極B連接。這樣，陰極射線除非被磁體偏轉，不會落到圓筒上。外圓筒接地，內圓筒連接驗電器。當陰極射線不落在隙縫時，送至驗電器的電荷就是很小的；當陰極射線被磁場偏轉落在隙縫時，則有大量的電荷送至驗電器。電荷的數量令人驚奇：有時在一秒鐘內通過隙縫的負電荷，足能將1.5微法電容的電勢改變20伏特。如果陰極射線被磁場偏轉很多，以至超出圓筒的隙縫，則進入圓筒的電荷又將它的數值降到僅有射中目標時的很小一部分。所以，這個實驗表明，不管怎樣用磁場去扭曲和偏轉陰極射線，帶負電的粒子又是與陰極射線有著密不可分的聯繫的。這個實驗證明了陰極射線和帶負電的粒子在磁場作用下遵循同樣路徑，由此證實了陰極射線是由帶負電荷的粒子組成的，從而結束了這場爭論，也為電子的發現奠定了基礎。

如何成功地使陰極射線在電場作用下發生偏轉？早在1893年，赫茲曾做過這種嘗試，但失敗了。湯姆遜認為，赫茲的失敗，主要在於真空度不夠高，引起殘餘氣體的電離，靜電場建立不起來所致。於是湯姆遜採用陰極射線管裝置，通過提高放電管的真空度而取得了成功。通過這個實驗和提高放電管真空度，湯姆遜不僅使陰極射線在磁場中發生了偏轉，而且還使它在電場中發生了偏轉，由此進一步證實了陰極射線是帶負電的粒子流的結論。

這種帶負電的粒子究竟是原子、分子，還是更小的物質微粒呢？這個問題引起了湯姆遜的深思。為了搞清這一點，他運用實驗去測出陰極射線粒子的電荷與質量的比值，也就是荷質比，從而找到了問題的答案。

湯姆遜發現，無論改變放電管中氣體的成分，還是改變陰極材料，陰極射線粒子的荷質比都不變。這表明來自各種不同物質的陰極射線粒子都是一樣的，因此這種粒子必定是「建造一切化學元素的物質」，湯姆遜當時把它叫做「微粒」，後來改稱「電子」。

至此可以說湯姆遜已發現了一種比原子小的粒子，但是這種粒子的荷質比107約是氫離子荷質比104的1000倍。這裡有兩種可能，可能電荷e很大，也可能質量m很小。要想確證這個結論，必須尋找更直接的證據。

1898年，湯姆遜安排他的研究生湯森德和威爾遜進行測量e值的實驗，隨即他自己也親自參與了這項工作。他們運用雲霧法測定陰極射線粒子的電荷同電解中氫離子所帶的電荷是同一數量級，從而直接證明了陰極射線粒子的質量只是氫離子的0.1%
參考文獻：http://zhjyx.hfjy.net.cn/Resource/Book/Edu/SZJY/TS007062/0002_ts007062.htm

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一個量子的發現簡單來說有以下步驟.理論推測其存在性。某個粒子的存在必定尤其道理，或為了解釋某種物理現象，或為了保持某種已有定理。舉個例子：希格斯粒子（希格斯玻色子）的概念提出是為了解釋一個『重要的』問題----宇宙為何沒有坍縮，按照目前最好的物理學模型，宇宙在大爆炸膨脹之後很快就會坍縮，膨脹持續不超過1秒。而宇宙沒有坍縮，部分原因是在膨脹過程中產生了希格斯玻色子。以往研究表明，在早期宇宙中，希格斯場可能獲得足夠大的波動來克服能量障礙，使宇宙從標準真空態轉變為負能量真空態，而讓宇宙迅速坍縮。而在當時，是沒有誰發現過這種或類似的粒子的，其僅僅存在與理論中，而在理論之後就是實驗。2012年7月4日，歐洲原子中心(CERN)今天宣布發現新亞原子粒子，疑似上帝粒子。
回到樓主的問題，當前發現各種粒子的主要來源是大型強子對撞機，在數以億計的量子中會有10~100個所測粒子，然後通過測定儀器捕捉或監測，由於技術原因，大部分亞原子粒子存在時間極短，所以理論要求進行3次以上的同種粒子發現並存在相同結論才可以認定其存在。

大二本科生表示可能會把問題簡單化，求輕噴
如何證明一個東西就在自己眼前的一個位置？
1:看到了
2:摸到了
如果摸不到的話呢？
我想選項可能就第一個：看
在確認了沒有其他詭異的全息投影或者光學干涉的情況下.....基本就是那個東西在那裡，因為我看見了
然後......能看見是因為光投射到物體上，物體反射光到眼睛裡....嗯，一些粒子是在特定情況下放射出這種「類似反射光的東西的」
那麼怎麼證明我們通過儀器取得到的數據是粒子存在導致的呢？
控制變數在沒有那個粒子的時候再採集一次數據咯.......

1，實驗設計並不總如預期，很多實驗都找到了別的東西。當然也有如預期找到的實驗。找不到預期的實驗對物理學貢獻更大。所以，不必迷信理論。
2，看數據分布。通過粒子留下的痕迹，如：閃爍體的光信號，金屬絲著火，碘化銫上的shower，取得的數據加以分析。給出一個統計上的以粒子屬性（一般是質量）為中心分布圖。算出統計顯著性。顯著性超過五倍標準差就可以聲明發現了。至於是什麼粒子，就要看有沒有合理的理論解釋。

另：夸克，膠子還不能被實驗直接觀測。

靠得是一種叫探測器的東西

話說，粒子鑒別是實驗核物理中比較難的。要通過反應道、能量、各種圖來分辨。

基礎是各種理論和各種實驗的積累。

推薦一本科普書，《神奇的粒子世界》，諾貝爾獎得主Martinus Veltman的大作。這本書有中譯本，丁亦兵翻譯的，丁也算是是國內搞粒子物理的老前輩了。

這本書算是解釋所有跟基本粒子相關的概念，也有專門講探測方法，非常詳細地解釋了題主的這些疑問相關的知識。

不過要求有一定的物理基礎才好看懂。

我個人有時候覺得，任何一個實物，都是能量的無限疊加，甚至是幾個宇宙的能量時光逆流的重合導致；把大化小，總是沒有盡頭，儀器不可能發到無限制分析，最後我們可能只能用存在這兩個字來描述物質。從長或者一瞬間來看，人類的思想畢是工具，而非目的，微小粒子的狀態，可能更接近宇宙的本質。粒子會消失，大小你看不看，它有或者沒有，都是很隨機的，但只要存在，隨機也是有規律的。

在學校應該都學過，電子的發現經過，很多粒子都是在不經意中發現的，可以說是實驗的副產品。這些實驗大多都是有了結果，卻不知道過程是怎樣的，就像古代人們看到的海市蜃樓，後來才知道是光的折射。有很多事物，雖然我們不能拿出實物證明他們的存在，但是我們可以通過各種各樣的手段從側面證明他們，就像黑洞，它連光都可以吸進去，人們怎麼發現並證明他的存在呢？只能通過周圍的狀態從側面證明它。
你所描述的是希望通過實驗把這些粒子擺在眼前，就像一個水果，一個杯子，是實實在在的，這種事可能已經實現，可能未來才能實現，就像人們發明顯微鏡看細菌一樣，是古代人不能想像的，也許有一天，人們能直接用基礎粒子堆出個東西，然後指著這個東西告訴後人，這就是xxx粒子堆砌起來的！

電子的質量是怎麼得到的？用天平稱的嗎？

是用牛頓定理計算出來的啊！筒子們！可是又為什麼說牛頓定理不適合高速微觀呢？笑話了不是。