格物致知－－大型強(qiáng)子對撞機(jī)

■ 柯林斯

你可以把它想成是科學(xué)史上最巨大、功能最強(qiáng)大的顯微鏡。大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）——距離日內(nèi)瓦只有一小段車程的鄉(xiāng)村地底下的環(huán)形機(jī)器已經(jīng)組裝完成，它所探究的是我們所探查過的最短尺度以及最高能量的物理。十幾年來，粒子物理學(xué)家一直熱切期盼有機(jī)會探索兆等級的物理（這樣稱呼是因為它牽涉到的能量高達(dá)1012電子伏特，也就是1兆電子伏特）。我們預(yù)期在這么高的能量上，必定會出現(xiàn)重大的新物理現(xiàn)象，例如難以理解的希格斯粒子（一般相信它負(fù)責(zé)給予其他粒子質(zhì)量）以及占據(jù)宇宙大部分物質(zhì)的暗物質(zhì)的組成粒子。

經(jīng)過9年的建造期，這個龐大的機(jī)器從2008年開始產(chǎn)生粒子束。測試程序計劃從單一粒子束到二束粒子、再到粒子束對撞；從較低能量到兆等級；從較弱的測試強(qiáng)度到足以有效產(chǎn)生數(shù)據(jù)但也較難控制的較大強(qiáng)度。過程的每一步驟都充滿挑戰(zhàn)，而超過5000位的科學(xué)家、工程師及學(xué)生也將通力合作來克服。為了近距離觀察這個已經(jīng)開始探索高能物理的尖端設(shè)備，2010年秋天我參觀了這個計劃，當(dāng)時和我談話的每個人都表露出最終會成功的平靜和自信，盡管工作表其實已一再延后。粒子物理學(xué)界正熱切地等待大型強(qiáng)子對撞機(jī)的初步實驗結(jié)果，美國麻省理工學(xué)院的弗蘭克·威爾切克談到大型強(qiáng)子對撞機(jī)的前景時，語帶興奮地表示：“物理學(xué)的黃金時代即將誕生?！?/p>

頂級的機(jī)器

為了進(jìn)入兆等級的新領(lǐng)域，大型強(qiáng)子對撞機(jī)各方面的基本參數(shù)幾乎都超越先前的對撞機(jī)，它啟動時可以產(chǎn)生前所未有的高能量質(zhì)子束。它的將近7000個磁鐵在液態(tài)氦冷卻下，溫度會降到2K以下，變成超導(dǎo)態(tài)，這些磁鐵將引導(dǎo)并聚集二束與光速相差不到億分之一的質(zhì)子束，每個質(zhì)子會帶著約7兆電子伏特的能量。根據(jù)愛因斯坦的E=mc2公式，這大約是質(zhì)子靜止質(zhì)量所含能量的7000倍，也約是目前世界紀(jì)錄的7倍，原紀(jì)錄是由美國費米國家實驗室所保持的。另一項重要的設(shè)計是，大型強(qiáng)子對撞機(jī)所能產(chǎn)生的粒子束強(qiáng)度（或稱做亮度），比正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)所能產(chǎn)生的要強(qiáng)上40倍。當(dāng)大型強(qiáng)子對撞機(jī)在最高能量全力運轉(zhuǎn)時，所有在繞圈子的粒子所攜帶的能量總和，相當(dāng)于大約900部車子同時以時速100千米奔馳的動能；如果用來燒開水，可以煮將近200立方米的咖啡。

質(zhì)子束運行時將分散成約3000個小團(tuán)，分布在周長27千米的對撞機(jī)軌道上。每個針狀的小質(zhì)子團(tuán)包含多達(dá)1000億個質(zhì)子，質(zhì)子團(tuán)長度只有幾厘米，而在對撞點更會被壓縮到直徑只有16微米（大約與人類最細(xì)的毛發(fā)相當(dāng)）。在環(huán)上的四個對撞點，這些針狀團(tuán)會穿過彼此，每秒產(chǎn)生超過6億次粒子碰撞。這些碰撞（物理學(xué)家稱為“事件”）事實上是發(fā)生在組成質(zhì)子的夸克與膠子之間。在最激烈的對撞下，可釋放出的能量大約為原先質(zhì)子能量的1/7，也就是約2兆電子伏特。（同理，正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)對于要探究兆等級的物理能量只是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的1/5，盡管其質(zhì)子及反質(zhì)子都具有1兆電子伏特的能量。）

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的四個巨大的偵測器將追蹤并測量在偵測器中心每次碰撞后所飛濺而出的上千個粒子，其中最大的偵測器大約可以占據(jù)半座巴黎圣母院，而最重的偵測器所含的鐵比埃菲爾鐵塔的鐵還要多。盡管偵測器的體積龐大，但是它們的某些零件位置必須被校準(zhǔn)到50微米的精確度。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的二個最大的偵測器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，會以將近1億個渠道傳輸，其數(shù)據(jù)量每秒可裝滿10萬張光盤，將之堆放起來的話，在6個月內(nèi)就可到達(dá)月球。因此，為了將它們?nèi)坑涗浵聛?，科學(xué)家選擇了利用“觸發(fā)及數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)”，它們的作用就像是龐大的垃圾郵件過濾器，立即丟棄幾乎所有的信息，每秒只留下看起來最有希望的100個事件，并將之送到歐洲核子研究組織里大型強(qiáng)子對撞機(jī)的中央計算機(jī)系統(tǒng)建立文件，供以后的分析用。幾千臺位于歐洲核子研究組織的計算機(jī)會組成一個“農(nóng)場”，將這些篩選過的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成較簡潔的數(shù)據(jù)組，以利物理學(xué)家查詢。分析的工作將在遍布全世界各研究機(jī)構(gòu)、超過10 000臺計算機(jī)所組成的網(wǎng)格上進(jìn)行。這些計算機(jī)全部先連接到坐落于三大洲的12個主要中心組成的轉(zhuǎn)接中心，再由專用的光纖連接到歐洲核子研究組織。

漫長的測試旅程

2010年11月初，科學(xué)家已經(jīng)完成了環(huán)上最后一個相鄰磁鐵的組裝。當(dāng)我們發(fā)布消息時，八個部分中的一個已經(jīng)幾乎被降溫到運轉(zhuǎn)所需的低溫度，而第二個的冷卻也已經(jīng)開始。在包括各部分以及整體系統(tǒng)的所有測試都完成后，一束質(zhì)子將被注入二個粒子束通道中的一個，通道將引導(dǎo)質(zhì)子束環(huán)繞這個周長達(dá)27千米的機(jī)器。

將質(zhì)子束加速并送到大型強(qiáng)子對撞機(jī)主環(huán)的一系列小型加速器已經(jīng)通過測試，這些加速器可以把質(zhì)子的能量提升到0.45兆電子伏特的能量門檻，然后再注射入大型強(qiáng)子對撞機(jī)。第一次注射粒子束是相當(dāng)關(guān)鍵的一步，大型強(qiáng)子對撞機(jī)項目的科學(xué)家會從低強(qiáng)度的粒子束開始測試，以減低硬設(shè)備損壞的風(fēng)險。等到他們已經(jīng)謹(jǐn)慎地確認(rèn)了測試的質(zhì)子束在大型強(qiáng)子對撞機(jī)內(nèi)的反應(yīng)，并且微調(diào)過操控磁場后，才會進(jìn)行較高強(qiáng)度的測試。當(dāng)大型強(qiáng)子對撞機(jī)第一次以設(shè)計的極限能量7兆電子伏特運轉(zhuǎn)時，每個方向只有單一質(zhì)子團(tuán)繞行，而不是最終目標(biāo)——3000個。

在加速器以這種步步為營的方式，向完整的任務(wù)邁進(jìn)的過程中，問題是一定會出現(xiàn)的。工程師及科學(xué)家得花多少時間克服每個挑戰(zhàn)，是個很大的未知數(shù)。如果其中一個部分必須被弄回室溫環(huán)境來修理，那將會花上幾個月的時間。

四個實驗組也有各自要完成的漫長步驟，在粒子束任務(wù)開始前必須完工。某些特別脆弱易損毀的組件還在安裝中，例如大型強(qiáng)子對撞機(jī)的頂點定位偵測器就是2010年11月安裝的。在參觀的過程中，我詫異于上千條茂密的纜線，這些纜線用來傳遞偵測器上所有渠道的數(shù)據(jù)，每條纜線都有標(biāo)示，一一裝配在正確的插槽，由許多學(xué)生測試。

雖然還要再等幾個月才會開始粒子束對撞，有些學(xué)生以及博士后研究員已經(jīng)在處理真實的數(shù)據(jù)了。宇宙射線穿越佛朗哥—瑞士巖石時，偶爾會穿越他們的偵測器。察看偵測器對這些闖入者的反應(yīng)，等于是一項重要的實地檢驗，看看從電壓供應(yīng)器到偵測器本身，再輸出到數(shù)據(jù)擷取軟件的電子線路，是否都能做出正確反應(yīng)。

萬事已具備

當(dāng)所有東西同時運轉(zhuǎn)起來，粒子束也開始在每個偵測器的中央對撞時，偵測器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所面臨的任務(wù)將會至為艱難。在設(shè)計的亮度下，每次針狀質(zhì)子團(tuán)塊互相穿過時，將產(chǎn)生多達(dá)20個事件，而二次穿過的時間間隔通常僅有25納秒。某一次互相穿過所飛濺出來的粒子，在下一次互相穿過發(fā)生時，都還正在經(jīng)過偵測器的較外層。偵測器的每一層都會在不同種類的粒子穿越時，于個別組件上做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。每一個事件將產(chǎn)生1兆位（1Mb）的數(shù)據(jù)量，從偵測器的上百萬條渠道傳輸出來。換言之，每2秒就會產(chǎn)生10億兆位（等于1Pb）的資料。

科學(xué)家必須想辦法將這些洪水般的數(shù)據(jù)量降低到可以處理的比例，負(fù)責(zé)這項工作的觸發(fā)系統(tǒng)分為幾個層級。第一個層級負(fù)責(zé)收集并分析從所有偵測器各部位來的數(shù)據(jù)的一小部分，并且從中挑選出看起來有希望的事件，例如有一個高能量的緲子從粒子束軸線中以大角度偏離飛出。這些被稱為第一層的觸發(fā)將會由數(shù)百個專用的計算機(jī)群執(zhí)行，它們每秒將會選取10萬組數(shù)據(jù)，以提供給下一個更高層級的觸發(fā)做更仔細(xì)的分析。

相對的，更高層級的觸發(fā)將會從偵測器的上百萬個渠道收集所有的數(shù)據(jù)，它會在計算機(jī)農(nóng)場中執(zhí)行軟件。由第一層觸發(fā)認(rèn)可的數(shù)據(jù)組之間，平均的間隔為10微秒，而這段時間足以重建每個事件。換句話說，它可以把每次事件產(chǎn)生的粒子軌跡追溯回至原點，并形成一組能量、動量、軌跡等協(xié)調(diào)一致的數(shù)據(jù)。