如何构建自己的粒子探测器

旨在揭示亚原子粒子的机器在巨大的规模下运行。大型强子对撞机的探测器重达数千吨，包含数百万个传感器，并记录以接近光速移动的粒子。但它们不必如此复杂。事实上，有些探测器很小，很简单，可以在客厅里操作。

以云室为例，它使用蒸发的酒精来制造对通过的颗粒极其敏感的蒸汽。DIY 版本是一个空鱼缸，顶部是浸满酒精的毛毡，底部是干冰。顶部的室温酒精蒸发到空气中，并沉到底部的冰上。当它冷却时，它会凝结在任何它能凝结的东西上。

宇宙射线不断从太空撞击地球，当它们撞击大气层时，会释放出大量粒子。如果其中一个粒子快速穿过 DIY 云室，它会撞上空气中的分子并撞掉一些电子。这会留下一串带电离子，空气中的微小酒精液滴会附着在这些离子上。由此产生的幽灵般的轨迹标记了单个粒子穿过云室的路径。

观看 DIY 云室的运作。然后建造自己的云室！

统计资料

时间： 20分钟

费用： 70美元

难度： 1/5

材料

• 透明塑料或玻璃水箱
• 毛毡
• 强力胶
• 异丙醇，浓度 90% 或更高
• 干冰
• 用于盛放干冰的宽而浅的容器
• 深色金属烤盘（大于罐口）
• 手电筒

工具

• 剪刀
• 乳胶或丁腈手套
• 烤箱手套
• 安全护目镜

指示

1. 将毛毡剪成与坦克底座大小相匹配的尺寸，然后将其粘到底部（通常放置沙子和假宝箱的位置）。
2. 戴上护目镜和手套，将足够的异丙醇倒入容器中，使毛毡浸透。倒掉多余的异丙醇。
3. 戴上烤箱手套，将干冰放入浅容器中，并用烤盘盖住。
4. 将水箱倒置在烤盘上，使毛毡覆盖的底部朝上。您可以使用额外的毛毡堵住水箱和托盘之间的接缝。现在取下护目镜和手套（但在拆卸云室时将它们戴回去）。
5. 等待约 10 分钟，让酒精蒸汽充满罐子。然后关闭所有灯，用手电筒照射罐子。
6. 如果你看到的轨迹看起来像是外国城市中迷路游客的轨迹，那么你看到的就是电子或正电子，即电子的反物质孪生体。轻粒子在撞击空气中的分子时会四处弹跳，留下锯齿状和花饰。
7. 当大气中的氡原子释放出体积庞大、能量低的阿尔法粒子（两个质子和两个中子组成的粒子团）时，就会出现一条短而粗的轨迹。氡是一种天然放射性元素，但其在空气中的浓度非常低，以至于其在空气中的放射性比花生酱还要低。
8. 一条长而直的轨迹表明你可能遇到了μ子，它是电子的较重的近亲。当宇宙射线撞上大气层高处的分子时，就会产生μ子。由于μ子质量巨大，它们会在空气中猛冲，留下清晰的轨迹。
9. 如果轨道突然分叉，恭喜你！你刚刚看到了粒子衰变。许多粒子是不稳定的，会转变为更稳定的粒子。你正在观察物理学的运作。

警告：处理异丙醇时请佩戴护目镜和手套，抓取干冰时请佩戴护目镜和烤箱手套。

本文发表于 2015 年 6 月的《大众科学》杂志，标题为“构建你自己的粒子探测器”。它改编自《对称杂志》的一篇文章。