格物致知－－大型强子对撞机

■ 柯林斯

你可以把它想成是科学史上最巨大、功能最强大的显微镜。大型强子对撞机（LHC）——距离日内瓦只有一小段车程的乡村地底下的环形机器已经组装完成，它所探究的是我们所探查过的最短尺度以及最高能量的物理。十几年来，粒子物理学家一直热切期盼有机会探索兆等级的物理（这样称呼是因为它牵涉到的能量高达1012电子伏特，也就是1兆电子伏特）。我们预期在这么高的能量上，必定会出现重大的新物理现象，例如难以理解的希格斯粒子（一般相信它负责给予其他粒子质量）以及占据宇宙大部分物质的暗物质的组成粒子。

经过9年的建造期，这个庞大的机器从2008年开始产生粒子束。测试程序计划从单一粒子束到二束粒子、再到粒子束对撞；从较低能量到兆等级；从较弱的测试强度到足以有效产生数据但也较难控制的较大强度。过程的每一步骤都充满挑战，而超过5000位的科学家、工程师及学生也将通力合作来克服。为了近距离观察这个已经开始探索高能物理的尖端设备，2010年秋天我参观了这个计划，当时和我谈话的每个人都表露出最终会成功的平静和自信，尽管工作表其实已一再延后。粒子物理学界正热切地等待大型强子对撞机的初步实验结果，美国麻省理工学院的弗兰克·威尔切克谈到大型强子对撞机的前景时，语带兴奋地表示：“物理学的黄金时代即将诞生。”

顶级的机器

为了进入兆等级的新领域，大型强子对撞机各方面的基本参数几乎都超越先前的对撞机，它启动时可以产生前所未有的高能量质子束。它的将近7000个磁铁在液态氦冷却下，温度会降到2K以下，变成超导态，这些磁铁将引导并聚集二束与光速相差不到亿分之一的质子束，每个质子会带着约7兆电子伏特的能量。根据爱因斯坦的E=mc2公式，这大约是质子静止质量所含能量的7000倍，也约是目前世界纪录的7倍，原纪录是由美国费米国家实验室所保持的。另一项重要的设计是，大型强子对撞机所能产生的粒子束强度（或称做亮度），比正负质子对撞机所能产生的要强上40倍。当大型强子对撞机在最高能量全力运转时，所有在绕圈子的粒子所携带的能量总和，相当于大约900部车子同时以时速100千米奔驰的动能；如果用来烧开水，可以煮将近200立方米的咖啡。

质子束运行时将分散成约3000个小团，分布在周长27千米的对撞机轨道上。每个针状的小质子团包含多达1000亿个质子，质子团长度只有几厘米，而在对撞点更会被压缩到直径只有16微米（大约与人类最细的毛发相当）。在环上的四个对撞点，这些针状团会穿过彼此，每秒产生超过6亿次粒子碰撞。这些碰撞（物理学家称为“事件”）事实上是发生在组成质子的夸克与胶子之间。在最激烈的对撞下，可释放出的能量大约为原先质子能量的1/7，也就是约2兆电子伏特。（同理，正负质子对撞机对于要探究兆等级的物理能量只是大型强子对撞机的1/5，尽管其质子及反质子都具有1兆电子伏特的能量。）

大型强子对撞机的四个巨大的侦测器将追踪并测量在侦测器中心每次碰撞后所飞溅而出的上千个粒子，其中最大的侦测器大约可以占据半座巴黎圣母院，而最重的侦测器所含的铁比埃菲尔铁塔的铁还要多。尽管侦测器的体积庞大，但是它们的某些零件位置必须被校准到50微米的精确度。

大型强子对撞机的二个最大的侦测器所产生的数据，会以将近1亿个渠道传输，其数据量每秒可装满10万张光盘，将之堆放起来的话，在6个月内就可到达月球。因此，为了将它们全部记录下来，科学家选择了利用“触发及数据撷取系统”，它们的作用就像是庞大的垃圾邮件过滤器，立即丢弃几乎所有的信息，每秒只留下看起来最有希望的100个事件，并将之送到欧洲核子研究组织里大型强子对撞机的中央计算机系统建立文件，供以后的分析用。几千台位于欧洲核子研究组织的计算机会组成一个“农场”，将这些筛选过的原始数据转换成较简洁的数据组，以利物理学家查询。分析的工作将在遍布全世界各研究机构、超过10 000台计算机所组成的网格上进行。这些计算机全部先连接到坐落于三大洲的12个主要中心组成的转接中心，再由专用的光纤连接到欧洲核子研究组织。

漫长的测试旅程

2010年11月初，科学家已经完成了环上最后一个相邻磁铁的组装。当我们发布消息时，八个部分中的一个已经几乎被降温到运转所需的低温度，而第二个的冷却也已经开始。在包括各部分以及整体系统的所有测试都完成后，一束质子将被注入二个粒子束通道中的一个，通道将引导质子束环绕这个周长达27千米的机器。

将质子束加速并送到大型强子对撞机主环的一系列小型加速器已经通过测试，这些加速器可以把质子的能量提升到0.45兆电子伏特的能量门槛，然后再注射入大型强子对撞机。第一次注射粒子束是相当关键的一步，大型强子对撞机项目的科学家会从低强度的粒子束开始测试，以减低硬设备损坏的风险。等到他们已经谨慎地确认了测试的质子束在大型强子对撞机内的反应，并且微调过操控磁场后，才会进行较高强度的测试。当大型强子对撞机第一次以设计的极限能量7兆电子伏特运转时，每个方向只有单一质子团绕行，而不是最终目标——3000个。

在加速器以这种步步为营的方式，向完整的任务迈进的过程中，问题是一定会出现的。工程师及科学家得花多少时间克服每个挑战，是个很大的未知数。如果其中一个部分必须被弄回室温环境来修理，那将会花上几个月的时间。

四个实验组也有各自要完成的漫长步骤，在粒子束任务开始前必须完工。某些特别脆弱易损毁的组件还在安装中，例如大型强子对撞机的顶点定位侦测器就是2010年11月安装的。在参观的过程中，我诧异于上千条茂密的缆线，这些缆线用来传递侦测器上所有渠道的数据，每条缆线都有标示，一一装配在正确的插槽，由许多学生测试。

虽然还要再等几个月才会开始粒子束对撞，有些学生以及博士后研究员已经在处理真实的数据了。宇宙射线穿越佛朗哥—瑞士岩石时，偶尔会穿越他们的侦测器。察看侦测器对这些闯入者的反应，等于是一项重要的实地检验，看看从电压供应器到侦测器本身，再输出到数据撷取软件的电子线路，是否都能做出正确反应。

万事已具备

当所有东西同时运转起来，粒子束也开始在每个侦测器的中央对撞时，侦测器以及数据处理系统所面临的任务将会至为艰难。在设计的亮度下，每次针状质子团块互相穿过时，将产生多达20个事件，而二次穿过的时间间隔通常仅有25纳秒。某一次互相穿过所飞溅出来的粒子，在下一次互相穿过发生时，都还正在经过侦测器的较外层。侦测器的每一层都会在不同种类的粒子穿越时，于个别组件上做出适当的反应。每一个事件将产生1兆位（1Mb）的数据量，从侦测器的上百万条渠道传输出来。换言之，每2秒就会产生10亿兆位（等于1Pb）的资料。

科学家必须想办法将这些洪水般的数据量降低到可以处理的比例，负责这项工作的触发系统分为几个层级。第一个层级负责收集并分析从所有侦测器各部位来的数据的一小部分，并且从中挑选出看起来有希望的事件，例如有一个高能量的缈子从粒子束轴线中以大角度偏离飞出。这些被称为第一层的触发将会由数百个专用的计算机群执行，它们每秒将会选取10万组数据，以提供给下一个更高层级的触发做更仔细的分析。

相对的，更高层级的触发将会从侦测器的上百万个渠道收集所有的数据，它会在计算机农场中执行软件。由第一层触发认可的数据组之间，平均的间隔为10微秒，而这段时间足以重建每个事件。换句话说，它可以把每次事件产生的粒子轨迹追溯回至原点，并形成一组能量、动量、轨迹等协调一致的数据。