现代超级照相机

早期的探测手段比较简单。核乳胶就是一种特殊的浓厚的照相乳胶，显影时能显示出带电粒子飞过乳胶的径迹。威尔逊云室，其中充满气体（如氩气）和蒸气（如酒精蒸气）的混合物。当混合物处于过饱和状态时，如果有带电粒子通过，就会有细小水珠凝结在粒子路径。威尔逊因此获得1927年诺贝尔物理学奖。介子、正电子等重要粒子都是在乳胶、云室中发现的。下图中，左图为正负电子在云室中的轨迹照片，右图为云室的外观。

威尔逊云室及照片

1952年，格拉塞在云室中用过热的液体，如液氩、液氖或氟利昂等代替气体——蒸气混合物，发明了气泡室。人们利用带电粒子在液体中留下的细泡，更加方便，得到的信息更多。

1968年，夏帕克等在欧洲核子中心研制成功世界第一台多丝正比室，实际上是现代电子学探测器的发轫。目前，在大多数实验应用中，传统的气泡室已逐渐被电子学探测器所代替。

大多数探测器采用漂移室或由漂移室演变而来的器件。现代漂移室被精细地分割成许多子单元，许多细长的丝相互平行地布列在气体中，当带电粒子通过气体时，其径迹上留下被电离的气体分子和电子。电子被丝上的电压所吸引，到达丝上，即给丝产生一个电脉冲。这些电脉冲被收集，并经过放大，记录在磁盘上。分析这些数据，尤其是测量电子漂移到丝上所需的时间，即可精确判断粒子径迹的准确位置。

多丝正比室外观及原理图

现代加速器与对撞机的探测系统，通常是具有分层层次结构的，一层套着一层。每一层用于探测粒子作用过程某一方面。

一般说来，探测系统无论我们装置得怎么紧凑、巧妙，其结构都是十分复杂，体积庞大，且耗资昂贵。

CDF与DO探测器是物理学家们在Tevatron上用来观测质子和反质子之间对撞的两个探测器。Tevatron是费米国家实验室质子与反质子的对撞装置。它接收从主注入器来的150吉电子伏的质子与反质子，并将其几乎加速到1000吉电子伏。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢312.9千米。质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和DO探测器的中心部分发生对撞，爆发式地产生新粒子。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生的不同类型的粒子。通过分析这些“碎片”，探究物质的结构、空间和时间。质子与反质子在CDF和DO探测器中心每秒发生200多万次的对撞，产生大量的新粒子。对于有趣的事例，探测器记录每个粒子的飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天24小时地监测探测器的运行情况。

CDF与DO探测器在田野的位置图

CDF探测器

DO探测器

欧洲核子中心最近建成的大型强子对撞机（LHC），分别设有五个探测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器（ATLAS）与紧凑μ子线圈（CMS）是通用型的粒子探测器。其他三个LHC底夸克探测器（LHCb），大型离子对撞器（ALICE）以及全截面弹性散射探测器（TOTEM）则是较小型的特殊目标探测器。LHC也可以用来加速对撞重离子。

ALICE探测器

ATLAS探测器

LHCb夸克探测器

中子和中性π介子等亚原子粒子不带电，不参与电磁相互作用，但是它们的质量都很大，因此，它们的运动轨迹会由于与其他粒子的碰撞而发生偏折，比较容易观察。尤其是中子的发现，一波三折，情节相当有趣，但与本书主题关系不大，就不详细介绍了。

中微子不带电，其质量几乎为零，传统的探测器对它几乎不起作用，这就是为什么发现它们那样困难，研究它们那样费时的原因。