前几天，人大附中的3位老师和8位学生到他们的姊妹学校Illinois Mathematics and Sciences Academy (IMSA)访问。人大附中是我的母校，而IMSA是我所供职的费米实验室第二任所长、诺贝尔奖获得者Leon Lederman倡导创办的。人大附中师生访问的一项内容是参观费米实验室，我参与了接待。交流中得知，不少师生是《知识分子》的热情读者。
同学们问我，母校给我留下的深刻印象是什么。经过这么多年，我还记得老师谈及当年劳模们在母校读书的故事，这些故事留给我的参悟就是要注重联系实际，在科学上，就是要注重实验。这篇文章，就是谈怎样做实验的。
《红楼梦》里，凤姐讲了一个笑话：“再说一个过正月半的。几个人抬着个房子大的炮仗往城外放去，引了上万的人跟着瞧去。有一个性急的人等不得，便偷着拿香点着了。只听‘噗哧’一声，众人哄然一笑都散了。
这抬炮仗的人抱怨卖炮仗的扎得不结实，没等放就散了。湘云道：“难道他本人没听见响？”凤姐儿道：“这人原本是聋子。”众人听说，一回想，不觉一齐失声都大笑起来。”凤姐的笑话对我们做科学实验有很多启发。对于我们想观测的物理现象而言，我们是又聋又瞎，可能还不如那抬炮仗的人。但是我们通过其它相关的现象，比如感知到炮仗或看热闹的人呼啦啦地散去，却可以间接地了解暂时观测不到的现象。
在高能物理实验中，我们让质子或电子对撞，生成了新的粒子，但我们怎么能知道它们真的存在呢？还记得节日的晚上我们看烟花表演吗？黑暗中，烟花弹从地面打到天空，我们通常看不见烟花弹本身，更无法判断烟花弹的种类、重量，是不是受潮。这一切疑问，等到烟花弹在空中爆炸，就变得一目了然了。高能物理实验中生成的新的粒子绝大多数很快就会发生衰变，这一现象帮了我们的大忙。
新粒子发生衰变时，至少产生两个粒子，朝周围飞开来，打到周围的探测器。如果衰变的产物是稳定的，它们会飞很远。这些衰变产物也可能不稳定，可能继续衰变，不过在它们衰变前，就可能飞过几米乃至十几米的距离，打过很多层探测器。
要真正地看见这些衰变产物，必须通过一系列的物理效应，让它们最终变成人可以看见的信息。过去，人们让粒子飞过云雾室或气泡室，带电粒子会留下看得见的径迹，然后人们用照相机将这些径迹照下来。这种实验用的都是35毫米拍电影用的大盘胶卷，笔者办公室墙上还贴了一小段作为纪念。现在，所有探测器基本上都是将粒子飞过的信息转化为电信号，采集并存入计算机，再对它们进行分析。
人类掌握的技术突飞猛进，可是自然规律却是不变的，至少在人类存在这样的时间尺度里是不变的。所以现在的高能物理探测器，和二三十年前的探测器，从大的结构上看，长得基本上差不多。对撞机里的探测器基本都是轴对称的，两束粒子沿着对称轴飞过，在探测器的中心对撞。各个子探测器大多是包围着对撞点，一圈一圈地构成由小到大的桶形。它们通常是由一块一块的探测器模块拼接起来，看上去很像过去木桶上的木板（没有短板的那种）。
高能物理历史上有些实验的探测器只有桶部。这类只有桶部的探测器有个不很正式的名称，叫2π谱仪，因为它的探测器单元覆盖了整个360度的圆周角。人们费那么大力气建造探测器总不想漏掉什么，粒子束对撞后，有些产物有可能沿着与束流成很小角度的方向飞出。所以现在几乎所有对撞机的探测器都有两个端盖，端盖上的探测器模块布置成若干层圆板型，整个探测器合起来以后就像层层套叠的木桶，每个都盖了个圆盖。
这种探测器覆盖了整个4π立体角（不是平面角），所以叫4π谱仪，通常简称为“谱仪”。
谱这个字很重要，粒子在谱仪中飞过，不仅要看见打过的痕迹，更要靠谱地测量出粒子的性质，比如动量。因此，最内层靠近对撞点的探测器，多半是粒子径迹探测器，比如气体漂移室，或者硅探测器。径迹探测器需要处在磁场之中，这样带电粒子飞出来的时候，就会受到洛伦兹力的作用拐弯，拐弯的半径与粒子的横向动量成正比。
于是，一个带电粒子飞出来，会在周围每一层探测器上打一个点，这些点构成一条曲线，具体来说，在均匀的轴向磁场之中，这条曲线是螺旋线。根据曲线的几何参数，我们可以算出带电粒子动量的大小和方向。
不带电的粒子不拐弯，也不会在径迹探测器上留下痕迹，只能在量能器上看到。即使对一个带电粒子，我们除了要测出动量，还要测出能量才能算出它的静止质量，从而确认它是什么粒子。
测量能量，要用到量能器，而量能器又分为电磁量能器（ECAL）和重子量能器（HCAL），量能器总是设计在径迹探测器之外的。在谱仪中的磁场，通常是用一个很大的螺线管磁铁来产生的。对撞机的能量越高，所研究的衰变产物的动量就越大，需要的磁场就越强。因此实际上，很多实验中用的都是超导磁铁。
绝大部分粒子都会被量能器挡住，但还有一些穿透力比较强的粒子会飞到量能器以外，比如缪子。所以在谱仪的最外层通常都装了缪子探测器。一般来说，凡是能从对撞点飞到最外层的带电粒子，非缪子莫属。中微子与物质的相互作用非常微弱，即使放一个地球那么大质量的探测器，中微子也有很大的概率悄无声息地飞过去。所以，在对撞机实验的每个具体事例里，是否存在一个中微子只能靠推断，靠测得到的动量与能量中缺失的部分来推测。
高能物理中确实有直接探测中微子的实验，比如大亚湾的中微子实验。它探测的是在极大的中微子束流的情况下中微子与物质之间的作用，这种事件发生的概率非常低，但耐心地测上几个月到几年，也能得到不少结果。总之，我们现在有关微观世界的知识，大部分都是在探测器里实实在在地测出来的。探测器就是我们眼睛，它使我们能观赏来自微观世界的礼花，进而推断出这些礼花的其他特征，以及它们背后的物理意义。
气体探测器在高能物理实验中有广泛的应用，很多实验里用气体探测器作为径迹探测器。这种探测器有很多类型，但有两点是共同的：它们里面都装了高压电极，都通了氩和乙烷（也有氩和二氧化碳）的混合气体。这里介绍两种典型的气体探测器：多丝漂移室和稻草管漂移室。多丝漂移室里有很多金属丝，并排拉紧像钢琴或竖琴的琴弦。科研人员在制作多丝漂移室时，需要严格的质量控制，包括检测金属丝的张力。
检测的方法就是让金属丝振动，测量它的振动频率。这是不是有点像给钢琴或竖琴调音？多丝漂移室中有一些金属丝与高压电源的负极连接，有些金属丝则与正极相连。
稻草管漂移室是很多薄壁细管构成的，不过这些细管并不是稻草，它们是用薄塑料片卷制的，内壁复合了铝箔或铜箔。每根细管的中心拉了一根细金属丝。运行时，金属丝通正高压，管子内壁的金属箔接高压电源负极（通常是地电平）。光电倍增管是一种探测快速光信号的器件。
它有一个接收光子的金属电极，光子打上去以后，会打出一个或几个电子。这么少的电子电量太少，如果用来形成脉冲信号实在是太弱了。怎么办呢？光电倍增管里有很多电极，接了高压电，电子在高压电场的作用下，一级一级地撞击这些电极。每个电子每撞到一个电极，就会把其中的电子打出几个，这样经过10到14级倍增，信号就可以被放大几万到几百万倍。
光电倍增管可以探测到光子，但在实际的实验里，却很少用来直接看衰变本身产生的光子。大多数实验里，光电倍增管都是用来探测带电粒子间接产生的光子。带电粒子可以通过各种闪烁体，塑料的、晶体的等等来产生光子。此外还可以通过切伦科夫辐射效应来产生光子。
近些年设计建造的高能物理实验很多都采用硅探测器作为径迹探测器。带电粒子穿过硅片，也会造成电离，产生可以探测到的电流。
硅探测器通常是在硅片上做出很多宽度为0.1mm左右的细条，有时甚至是二维的像素，用来精确地测量带电粒子穿过硅片的位置。理论上讲，所有的硅探测器最好都能做成像素式的，因为这样可以把粒子径迹上的一个点的所有三个坐标都测出来。但实际上，像素探测器的读出与编码电路比细条探测器的电路要复杂得多，价格与功率消耗都要大。所以在实际的实验中，只有靠近对撞点的区域会用像素探测器，远一些的地方多用细条探测器。