假设有一种粒子只参与强相互作用，我们该如何探测它？
这个问题非常有趣，因为它涉及了粒子物理学的基本探测原理以及强相互作用的特殊性。要探测一种只参与强相互作用的粒子，我们需要深入理解强相互作用的性质以及我们现有的探测手段，并在此基础上进行推演和设想。
首先，理解“只参与强相互作用”意味着什么：
这意味着这种粒子不会与电磁力（因此不会发射或吸收光子，不会带电）和弱相互作用（因此不会发生β衰变，不会产生中微子或轻子等）发生相互作用。它唯一的“语言”就是强核力。
强相互作用的特点是：
1. 短程性 (Shortrange): 强相互作用的作用范围非常小，大约是 $10^{15}$ 米（1飞米），这个尺度大致是质子的大小。
2. 强吸引力 (Strong attraction): 在短距离内，强相互作用是所有基本力中最强的，它能够束缚住夸克形成质子和中子，也能将质子和中子束缚在原子核中。
3. 夸克禁闭 (Confinement): 自由的夸克无法单独存在，它们总是被束缚在强子的内部。当试图分离夸克时，会产生新的夸克反夸克对，最终形成新的强子，而不是得到自由的夸克。这就像拉橡皮筋，橡皮筋越长，需要的能量越大，最终会断裂产生新的“端点”。
4. 渐进自由 (Asymptotic freedom): 在极短的距离内（夸克之间距离非常小），强相互作用的强度反而减弱。
基于这些特性，探测一种只参与强相互作用的粒子将面临巨大的挑战：
无法直接通过电磁相互作用探测： 传统的粒子探测器，如盖革计数器、闪烁计数器、比例计数器、半导体探测器等，都依赖于粒子电离或激发电磁相互作用。由于我们假设的粒子不带电且不与光子相互作用，这些探测器将无法“看到”它。
无法直接通过弱相互作用探测： 同样，无法通过探测其衰变产物（如轻子、中微子）来间接探测。
夸克禁闭带来的间接影响： 如果这种粒子是由夸克组成的（例如，类似一个我们尚未发现的新型强子），那么它本身就不能独立存在于探测器中，而是会与其他物质的夸克发生相互作用。
那么，我们应该如何设想探测它呢？核心思路是利用其“只参与强相互作用”这一特性，并观察其在强相互作用下的独特效应。
以下是一些可能的探测思路，从相对直接到更加推测性：
思路一：作为散射靶或参与核反应的特殊成员
原理： 利用强相互作用的散射效应。当高能粒子束（如质子束、中子束）轰击含有我们假设粒子的物质时，如果该粒子存在，它会与入射粒子发生强相互作用，产生特定的散射角、能量转移或产生新的粒子。
探测器设置：
高能粒子加速器： 这是探测未知粒子的必备条件。需要一个能够产生足够能量的粒子束的加速器，以克服可能的质量能垒（如果该粒子有质量）。
粒子束轰击目标： 需要一个“目标物质”，这个目标物质可能就是我们假设的粒子的“富集地”，或者是一个可以诱导该粒子存在的环境。例如，如果该粒子是一种稀有的核子同位素，那么目标就是该同位素。如果它是一种新的束缚态，我们可能需要创造高能高密度的环境来产生它。
角度分辨的探测器阵列： 包围目标区域，能够精确测量散射粒子的角度和动量。如果散射结果与已知粒子（如质子、中子、介子等）的相互作用模式不符，可能就指向了新的粒子。
能量/动量测量： 需要探测器能够测量粒子的能量损失（如通过探测电离）或者飞行时间（TimeofFlight, TOF）来确定其动量和质量。
挑战：
“只参与强相互作用”： 如果该粒子不带电，那么它在穿越探测器时不会产生电离，这将极大地限制了探测器的类型。我们可能需要依赖其动量和与探测器物质的核相互作用来“留下痕迹”。
背景噪音： 强相互作用会产生大量的次级粒子，区分出我们感兴趣的粒子及其相互作用产物将非常困难。
如何获取目标： 如果这种粒子非常稀有或不稳定，如何将其分离出来并作为靶是很关键的问题。
思路二：通过其间接影响探测其存在或性质（更具推测性）
原理： 即使粒子本身不带电，但如果它能参与形成某种稳定的束缚态或在量子色动力学 (QCD) 的复杂动力学中扮演特定角色，其存在可能会影响其他粒子的行为或观测到的宏观性质。
具体设想：
异常核效应： 如果该粒子能与核子（质子、中子）发生强相互作用，并且形成某种新的、稳定的或亚稳态的束缚态（例如，一个包含该粒子的新原子核或原子核内的特殊结构），那么这种束缚态可能表现出与普通原子核不同的性质。
探测方式：
核谱学： 寻找具有异常质量、核自旋、电磁偶极矩或四极矩的核素。例如，一个包含我们粒子的“原子核”可能在核衰变（如果存在某种微弱的弱相互作用或电磁相互作用，尽管我们假设它只参与强相互作用，但可能存在间接联系）、核共振散射或核跃迁谱上表现出异常。
异常核力势： 如果该粒子能作为一种新的“胶子”或“夸克组分”出现在核子之间，它可能改变了核子之间的相互作用势。这可以通过研究核子核子散射截面、核结合能等来寻找偏差。
寻找奇异核： 例如，如果该粒子是一种新的“重子”（由三个夸克组成但我们不知道的类型），它可能与普通核子形成奇特的原子核，例如“超核”（包含超子）的某种更复杂的版本。探测超核的方法是通过高能粒子轰击靶材，产生K介子，再由K介子与靶材中的核子作用形成超子，最终结合成超核。我们可以设想类似的方法来寻找包含我们假设粒子的“奇异核”。
胶子束缚态的新形式： QCD 理论预测存在由纯胶子组成的束缚态，称为“胶球”（glueballs）。如果我们的粒子是某种胶球，或者是一种更复杂的胶子束缚态，那么它的产生和衰变主要通过强相互作用。
探测方式：
高能碰撞中的共振峰： 在强子强子对撞机（如LHC）中，当能量足够高时，可能会产生大量的胶球。如果我们的粒子是胶球的一种，我们应该能在其质量处看到一对或多对强子（如介子、重子）的共振峰，例如 $par{p}$ 湮灭产生大量的 $2pi$ 粒子，但如果我们的粒子是纯胶子组成的，它主要通过强相互作用衰变成一对对强子，其衰变模式和分支比是关键线索。
喷流（Jet）的研究： 喷流是强相互作用过程中高能夸克或胶子被束缚成强子的结果。如果我们的粒子是某些特殊喷流事件的起源，或者影响了喷流的性质（如喷流能量分布、形状），也可能提供线索。
量子色动力学相变的研究： 在极高的温度和密度下（例如宇宙大爆炸初期或重离子碰撞的核子里），夸克和胶子会从被禁闭的状态进入一个自由的“夸克胶子等离子体”状态。如果我们的粒子是一种在这些极端条件下才会存在的特殊物质形式，或者是一种影响了相变过程的关键组分。
探测方式： 分析重离子碰撞产生的各种粒子种类、动量谱、关联函数等，寻找与标准QCD理论预测不符的信号。例如，如果该粒子能稳定存在于夸克胶子等离子体中，它可能会影响等离子体的集体行为，如粘度、激波传播等。
关键探测技术和设备（用于上述思路）：
高性能粒子探测器：
硅径迹探测器 (Silicon Tracking Detectors): 精确测量带电粒子的径迹，用于重建相互作用点和动量。即使我们的粒子不带电，其相互作用产生的带电次级粒子仍然需要被精确追踪。
飞行时间探测器 (TimeofFlight detectors, TOF): 通过测量粒子飞行的时间来确定其动量，结合径迹信息可以推断粒子质量。
量能器 (Calorimeters): 测量粒子的能量。对于不带电粒子，我们依赖它们与量能器物质的强相互作用（如强核相互作用）来沉积能量。中性介子（如$pi^0$）和光子可以被探测到，它们的衰变或相互作用可以间接提供线索。
粒子鉴别器 (Particle Identification systems): 如切伦科夫探测器、富集气室等，用于区分不同种类的粒子。即使我们探测的是次级粒子，它们仍然需要被准确识别。
高亮度粒子加速器： 需要能够产生大量特定粒子束的高能加速器，如LHC、RHIC等。
精确的理论模型： 强相互作用的理论模型（如量子色动力学）非常复杂，理解和预测这种粒子的行为，需要极其精确的理论计算作为参照。
总结探测思路：
既然该粒子“只参与强相互作用”，那么它的“签名”一定是通过强相互作用的效应表现出来。这意味着：
1. 直接探测极难： 如果它不带电，不发射电磁波，不参与弱衰变，那么它将“隐形”于大多数传统探测器。
2. 寻找间接证据是关键：
散射实验： 观察高能粒子束与其相互作用时产生的异常散射模式或新粒子的产生。
核结构与性质： 寻找由其形成的异常核素，或其存在对已知核性质产生的微妙影响。
高能碰撞的集体效应： 在重离子碰撞等极端条件下，观察其对夸克胶子等离子体性质的改变。
理论预测的“新粒子”的产生与衰变特征： 如果理论模型预测了这种粒子的存在，那么我们需要在实验中寻找与其预测的强相互作用衰变模式相符的信号，例如特定的强子对的共振。
一个极端的例子：
想象一下，如果这种粒子就是纯粹的、稳定的“胶球”，它不带电，也不与其他物质发生除了强相互作用以外的任何作用。我们可能只能在两个重离子发生极高能碰撞时，在极短的时间内产生它。然后，它会以极高的能量和动量“飞行”出去。由于它不带电，我们无法用电磁法追踪它。但它会与探测器中的原子核发生强相互作用。
如果它直接穿透所有探测器而不留下任何痕迹： 那就极难探测。
如果它与探测器物质发生强相互作用，并产生可观测的次级粒子（比如，它衰变成一对介子，而这些介子又进一步衰变并留下径迹）： 我们需要能捕捉到这些“间接”信号的探测器，并将其与庞大的背景噪声区分开来。这就需要极高的能量分辨率、角度分辨率和粒子鉴别能力。
总而言之，探测一个只参与强相互作用的粒子是一个巨大的挑战，需要我们设计高度敏感、能够捕捉强相互作用直接或间接效应的探测器系统，并结合精准的理论计算，才能在海量的背景信号中发现它的“蛛丝马迹”。这正是粒子物理学不断探索未知世界的魅力所在。
首先，理解“只参与强相互作用”意味着什么：
这意味着这种粒子不会与电磁力（因此不会发射或吸收光子，不会带电）和弱相互作用（因此不会发生β衰变，不会产生中微子或轻子等）发生相互作用。它唯一的“语言”就是强核力。
强相互作用的特点是：
1. 短程性 (Shortrange): 强相互作用的作用范围非常小，大约是 $10^{15}$ 米（1飞米），这个尺度大致是质子的大小。
2. 强吸引力 (Strong attraction): 在短距离内，强相互作用是所有基本力中最强的，它能够束缚住夸克形成质子和中子，也能将质子和中子束缚在原子核中。
3. 夸克禁闭 (Confinement): 自由的夸克无法单独存在，它们总是被束缚在强子的内部。当试图分离夸克时，会产生新的夸克反夸克对，最终形成新的强子，而不是得到自由的夸克。这就像拉橡皮筋，橡皮筋越长，需要的能量越大，最终会断裂产生新的“端点”。
4. 渐进自由 (Asymptotic freedom): 在极短的距离内（夸克之间距离非常小），强相互作用的强度反而减弱。
基于这些特性，探测一种只参与强相互作用的粒子将面临巨大的挑战：
无法直接通过电磁相互作用探测： 传统的粒子探测器，如盖革计数器、闪烁计数器、比例计数器、半导体探测器等，都依赖于粒子电离或激发电磁相互作用。由于我们假设的粒子不带电且不与光子相互作用，这些探测器将无法“看到”它。
无法直接通过弱相互作用探测： 同样，无法通过探测其衰变产物（如轻子、中微子）来间接探测。
夸克禁闭带来的间接影响： 如果这种粒子是由夸克组成的（例如，类似一个我们尚未发现的新型强子），那么它本身就不能独立存在于探测器中，而是会与其他物质的夸克发生相互作用。
那么，我们应该如何设想探测它呢？核心思路是利用其“只参与强相互作用”这一特性，并观察其在强相互作用下的独特效应。
以下是一些可能的探测思路，从相对直接到更加推测性：
思路一：作为散射靶或参与核反应的特殊成员
原理： 利用强相互作用的散射效应。当高能粒子束（如质子束、中子束）轰击含有我们假设粒子的物质时，如果该粒子存在，它会与入射粒子发生强相互作用，产生特定的散射角、能量转移或产生新的粒子。
探测器设置：
高能粒子加速器： 这是探测未知粒子的必备条件。需要一个能够产生足够能量的粒子束的加速器，以克服可能的质量能垒（如果该粒子有质量）。
粒子束轰击目标： 需要一个“目标物质”，这个目标物质可能就是我们假设的粒子的“富集地”，或者是一个可以诱导该粒子存在的环境。例如，如果该粒子是一种稀有的核子同位素，那么目标就是该同位素。如果它是一种新的束缚态，我们可能需要创造高能高密度的环境来产生它。
角度分辨的探测器阵列： 包围目标区域，能够精确测量散射粒子的角度和动量。如果散射结果与已知粒子（如质子、中子、介子等）的相互作用模式不符，可能就指向了新的粒子。
能量/动量测量： 需要探测器能够测量粒子的能量损失（如通过探测电离）或者飞行时间（TimeofFlight, TOF）来确定其动量和质量。
挑战：
“只参与强相互作用”： 如果该粒子不带电，那么它在穿越探测器时不会产生电离，这将极大地限制了探测器的类型。我们可能需要依赖其动量和与探测器物质的核相互作用来“留下痕迹”。
背景噪音： 强相互作用会产生大量的次级粒子，区分出我们感兴趣的粒子及其相互作用产物将非常困难。
如何获取目标： 如果这种粒子非常稀有或不稳定，如何将其分离出来并作为靶是很关键的问题。
思路二：通过其间接影响探测其存在或性质（更具推测性）
原理： 即使粒子本身不带电，但如果它能参与形成某种稳定的束缚态或在量子色动力学 (QCD) 的复杂动力学中扮演特定角色，其存在可能会影响其他粒子的行为或观测到的宏观性质。
具体设想：
异常核效应： 如果该粒子能与核子（质子、中子）发生强相互作用，并且形成某种新的、稳定的或亚稳态的束缚态（例如，一个包含该粒子的新原子核或原子核内的特殊结构），那么这种束缚态可能表现出与普通原子核不同的性质。
探测方式：
核谱学： 寻找具有异常质量、核自旋、电磁偶极矩或四极矩的核素。例如，一个包含我们粒子的“原子核”可能在核衰变（如果存在某种微弱的弱相互作用或电磁相互作用，尽管我们假设它只参与强相互作用，但可能存在间接联系）、核共振散射或核跃迁谱上表现出异常。
异常核力势： 如果该粒子能作为一种新的“胶子”或“夸克组分”出现在核子之间，它可能改变了核子之间的相互作用势。这可以通过研究核子核子散射截面、核结合能等来寻找偏差。
寻找奇异核： 例如，如果该粒子是一种新的“重子”（由三个夸克组成但我们不知道的类型），它可能与普通核子形成奇特的原子核，例如“超核”（包含超子）的某种更复杂的版本。探测超核的方法是通过高能粒子轰击靶材，产生K介子，再由K介子与靶材中的核子作用形成超子，最终结合成超核。我们可以设想类似的方法来寻找包含我们假设粒子的“奇异核”。
胶子束缚态的新形式： QCD 理论预测存在由纯胶子组成的束缚态，称为“胶球”（glueballs）。如果我们的粒子是某种胶球，或者是一种更复杂的胶子束缚态，那么它的产生和衰变主要通过强相互作用。
探测方式：
高能碰撞中的共振峰： 在强子强子对撞机（如LHC）中，当能量足够高时，可能会产生大量的胶球。如果我们的粒子是胶球的一种，我们应该能在其质量处看到一对或多对强子（如介子、重子）的共振峰，例如 $par{p}$ 湮灭产生大量的 $2pi$ 粒子，但如果我们的粒子是纯胶子组成的，它主要通过强相互作用衰变成一对对强子，其衰变模式和分支比是关键线索。
喷流（Jet）的研究： 喷流是强相互作用过程中高能夸克或胶子被束缚成强子的结果。如果我们的粒子是某些特殊喷流事件的起源，或者影响了喷流的性质（如喷流能量分布、形状），也可能提供线索。
量子色动力学相变的研究： 在极高的温度和密度下（例如宇宙大爆炸初期或重离子碰撞的核子里），夸克和胶子会从被禁闭的状态进入一个自由的“夸克胶子等离子体”状态。如果我们的粒子是一种在这些极端条件下才会存在的特殊物质形式，或者是一种影响了相变过程的关键组分。
探测方式： 分析重离子碰撞产生的各种粒子种类、动量谱、关联函数等，寻找与标准QCD理论预测不符的信号。例如，如果该粒子能稳定存在于夸克胶子等离子体中，它可能会影响等离子体的集体行为，如粘度、激波传播等。
关键探测技术和设备（用于上述思路）：
高性能粒子探测器：
硅径迹探测器 (Silicon Tracking Detectors): 精确测量带电粒子的径迹，用于重建相互作用点和动量。即使我们的粒子不带电，其相互作用产生的带电次级粒子仍然需要被精确追踪。
飞行时间探测器 (TimeofFlight detectors, TOF): 通过测量粒子飞行的时间来确定其动量，结合径迹信息可以推断粒子质量。
量能器 (Calorimeters): 测量粒子的能量。对于不带电粒子，我们依赖它们与量能器物质的强相互作用（如强核相互作用）来沉积能量。中性介子（如$pi^0$）和光子可以被探测到，它们的衰变或相互作用可以间接提供线索。
粒子鉴别器 (Particle Identification systems): 如切伦科夫探测器、富集气室等，用于区分不同种类的粒子。即使我们探测的是次级粒子，它们仍然需要被准确识别。
高亮度粒子加速器： 需要能够产生大量特定粒子束的高能加速器，如LHC、RHIC等。
精确的理论模型： 强相互作用的理论模型（如量子色动力学）非常复杂，理解和预测这种粒子的行为，需要极其精确的理论计算作为参照。
总结探测思路：
既然该粒子“只参与强相互作用”，那么它的“签名”一定是通过强相互作用的效应表现出来。这意味着：
1. 直接探测极难： 如果它不带电，不发射电磁波，不参与弱衰变，那么它将“隐形”于大多数传统探测器。
2. 寻找间接证据是关键：
散射实验： 观察高能粒子束与其相互作用时产生的异常散射模式或新粒子的产生。
核结构与性质： 寻找由其形成的异常核素，或其存在对已知核性质产生的微妙影响。
高能碰撞的集体效应： 在重离子碰撞等极端条件下，观察其对夸克胶子等离子体性质的改变。
理论预测的“新粒子”的产生与衰变特征： 如果理论模型预测了这种粒子的存在，那么我们需要在实验中寻找与其预测的强相互作用衰变模式相符的信号，例如特定的强子对的共振。
一个极端的例子：
想象一下，如果这种粒子就是纯粹的、稳定的“胶球”，它不带电，也不与其他物质发生除了强相互作用以外的任何作用。我们可能只能在两个重离子发生极高能碰撞时，在极短的时间内产生它。然后，它会以极高的能量和动量“飞行”出去。由于它不带电，我们无法用电磁法追踪它。但它会与探测器中的原子核发生强相互作用。
如果它直接穿透所有探测器而不留下任何痕迹： 那就极难探测。
如果它与探测器物质发生强相互作用，并产生可观测的次级粒子（比如，它衰变成一对介子，而这些介子又进一步衰变并留下径迹）： 我们需要能捕捉到这些“间接”信号的探测器，并将其与庞大的背景噪声区分开来。这就需要极高的能量分辨率、角度分辨率和粒子鉴别能力。
总而言之，探测一个只参与强相互作用的粒子是一个巨大的挑战，需要我们设计高度敏感、能够捕捉强相互作用直接或间接效应的探测器系统，并结合精准的理论计算，才能在海量的背景信号中发现它的“蛛丝马迹”。这正是粒子物理学不断探索未知世界的魅力所在。
网友意见
这里我们只考虑基本粒子。（注：本文不考虑引力，否则问题不成立）
在当前人们的认识中，确实存在一种只参与强相互作用的基本粒子，胶子
还是先从粒子物理标准模型开始说起：
电子、中微子、中子、W、Z玻色子、希格斯粒子不参与强相互作用；
夸克参与强相互作用，但是同时也参与电磁和弱相互作用；
而只有胶子只参与强相互作用。胶子参与强相互作用的方式两种：
- 直接与夸克相互作用；
- 胶子之间相互作用（这一点与光子非常不同）。
需要注意的是，强相互作用存在“禁闭”现象，也就是不存在独立的夸克和胶子，在实验中能直接探测到的只能是由夸克和胶子构成的粒子，比如质子和中子。
所以我们并不能在实验中直接找到并观察胶子。实际上，胶子是由丁肇中领导的小组通过观察喷柱（jet）现象而发现的：
1978年11月，丁肇中小组在汉堡马克-捷实验中，利用当时世界上能量最高的加速器使正负电子加速对撞，寻找新的粒子。1979年9月3日，《物理评论快报》刊登了丁肇中小组发现胶子的文章。这一实验结果得到了国际高能物理学界的高度评价。
那么什么是喷柱呢？
高能正负电子对撞时，有很大的概率会发生湮灭，变成光子，光子再生成一对正反夸克，但是由于禁闭，最终夸克并不会直接被探测到，而是会发生强子化，变成一堆强子沿着最初夸克的方向喷射出来，在实验中就能看到有两个相反的反向上出现了一群粒子：
但是这个过程还有另一种可能，那就是末态的夸克能量比较大， 在自己发生强子化之前，释放出了一个胶子，这个胶子最终也会强子化，变成一堆强子喷射出去，最终实验上看到的就是三个喷柱：
上图[1]就是实验中看到的末态粒子，能够清楚地看到喷柱，也就是几个运动方向很近的粒子。
胶球
由于胶子存在自相互作用，因此一坨胶子也可以抱团形成胶球（gluon ball）。但是胶球一直是理论中假设的粒子，到目前为止还没有被实验所证实。
实验中探测胶球的办法和其它粒子一样，就是通过粒子对撞，比如质子质子对撞或者正负电子对撞，来产生。当然，这种粒子会瞬间衰变，最终不会直接达到探测器，最终进入探测器的都是一些不容易衰变的粒子。通过收集这些粒子末态的能动量，根据能动量守恒等，就有可能找到中间产生的粒子，这个就跟其它强子的探测方式一样了。
当然，目前实验中已经发现了一些还没有被确定的态，有人认为其中就有可能是胶球，但是还需要进一步的研究。
参考
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这个问题听起来简单，但细想起来还真有点意思。很多人可能会直觉地认为，飞机飞得那么快，苍蝇总不能一直跟着飞吧？但实际情况，比我们想象的要复杂一些。首先，咱们得弄清楚一个关键点：飞机里的苍蝇，它是在一个封闭的环境里飞行的。 这个封闭的环境，就是飞机的机舱。想象一下，飞机起飞前，苍蝇可能就在机舱里某处，比.............
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这个问题，我得好好琢磨琢磨。一万魏军，那可真不是闹着玩的。尤其还是三国时期的魏军，战斗力那是杠杠的。不过，我手里有把无限子弹的加特林，这事儿就有点意思了。首先，得想想这加特林重机枪是个什么玩意儿。这玩意儿射速那叫一个快，一分钟能吐出几千发子弹。就算是无限子弹，我这加特林也得是个能扛得住连续射击的神器.............
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