环球科学:“大型强子对撞机”撞开发现之门(图)

xiaoyaozi

撰文 格雷厄姆·P·柯林斯（Graham P. Collins）

　　翻译 王家慧 卞建国

　　大型强子对撞机即将竣工，这个地下圆环修建在日内瓦近郊的乡村。你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。十多年来，粒子物理学家一直热切期盼着这样一个机会，去探索所谓“万亿能标”下的物理世界，因为其中的物理过程涉及的能量高达1万亿电子伏特。科学家预期，一些意义重大的全新物理现象，将在万亿能标中显现出来，比如难以捉摸的希格斯粒子（Higgs
particle，科学家相信这种粒子给其他粒子赋予了质量）和暗物质粒子（这种粒子构成了暗物质，是宇宙中物质的主要组成成分）。



　　LHC加速器将由CERN的一个小组负责控制，他们的工作地点就设在照片所示的右下角。LHC上的每个探测器，都拥有它们自己的控制室。



　　经过9年的建造，这台庞大的机器预计将在今年产生粒子束流。按照计划，LHC将接受一系列调试：从一个束流到两个束流，再到对撞的束流；从较低能标增加到万亿能标；从强度较弱的测试束流到适合快速采集数据、但更难控制的较强束流。调试过程的每一步都很艰难，需要5,000多名科学家、工程师和研究生通力合作才能攻克难关。为了探索这一高能前沿领域，物理学家们做了许多准备工作。2007年秋天，为了得到第一手资料，我走访了LHC项目组。虽然工程进度一再延误，但与我交谈的每一个人都对成功充满信心。粒子物理学界正热切等待着LHC的第一批成果。美国麻省理工学院的弗兰克·维尔策克（Frank
Wilzek）谈到LHC的前景时，重复了物理学界的共识——LHC将开启“物理学的黄金时代”。



　　每次对撞都会喷出大量粒子，绝大多数是已知粒子，但偶尔也会出现一些新奇的粒子。

　　 超级机器

　　只要它开始运行，就将产生出能量比以前高得多的质子束流。它的大约7,000
块磁铁被液氦冷却到2K以下，维持在超导状态运行，引导并聚焦着两个质子束流。质子束流的速度可达光速的99.9999991%。每个质子携带的能量将达到7万亿电子伏特，相当于质子静止质量所含能量的7,000倍（参照爱因斯坦质能公式E
= mc2）。目前的最高能量记录保持者，是美国费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator
Laboratory，位于伊利诺伊州巴达维亚市）的万亿电子伏特正负质子对撞机（Tevatron），而LHC产生的质子能量将是该记录的7倍。而且，根据设计参数，LHC产生的束流强度（也称亮度），将是万亿电子伏特正负质子对撞机束流的40倍。当LHC以最高能量状态满负荷运转时，在巨型圆环中绕行的所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲出2,000升咖啡。

　　这些质子会分布在大约3,000个束团之中，沿着周长27千米的对撞机圆环运转。每个束团由多达1,000亿个质子组成，但在对撞点上，束团的尺寸只有银针大小：长不过几厘米，粗细仅有16微米（大约相当于最细的头发丝）。在圆环的四个对撞点上，这些银针一根接一根通过，每秒钟发生6亿多次粒子对撞。物理学家把对撞称为事例（event），这些对撞其实并不是质子与质子相撞，而是构成质子的更小粒子——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。最激烈的对撞将释放出大约2万亿电子伏特的能量，相当于相撞质子所携带能量的1/7。（由于相同的原因，尽管万亿电子伏特正负质子对撞机中运行的质子和反质子的能量可以达到1万亿电子伏特，但它们的能量还要再提高5倍，才能跨进万亿能标的门槛。）

　　四个巨型探测器建造在圆环的四个对撞点周围，最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。这些探测器将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。尽管这些探测器尺寸巨大，安装精度却要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。

　　在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘——只需要6个月的时间，这些光盘就可以从地球堆到月球。因此，这些实验不会去记录所有的数据，而是设计了所谓的触发系统（trigger）和数据获取系统（data-acquisition）。这些系统就像垃圾邮件过滤器一样，每秒只筛选出100个看起来最有价值的事例，将它们的数据传送到CERN的LHC中央计算系统，以备存档和事后分析之用。

　　欧洲原子能研究中心是LHC的所在地。在那里，上千台计算机组成的计算集群，把过滤后的原始数据转化为更加紧凑的格式，供物理学家筛选研究。物理学家将通过一种所谓的“网格网络”（grid
network）分析这些数据。这种网络由世界各地研究机构的数万台PC机组成，它们先连接到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到CERN。

　　步步为营

　　未来几个月内，全球的目光都将聚焦于这台粒子加速器。2007年11月上旬，圆环上相邻的磁铁进行了最后的连接；12月中旬，8个扇区中的一个已被冷却到运行所需的低温，第二个扇区的冷却工作也已展开。此前，一个扇区曾被冷却、加电，然后又回到室温。这些扇区先接受单独检测，然后再进行整体试运行。一旦通过检验，一个质子束流就会注入圆环，沿着两条束流管中的一条，在周长27千米的圆环中运转。

　　向LHC主环提供束流的一系列小型加速器已通过验收，它们可以把能量为0.45万亿电子伏特的质子注入LHC。束流的第一次注入将是关键一步，LHC的科学家们将先注入低强度束流，以降低LHC硬件损毁的风险。只有对测试束流在LHC内部的运行情况进行仔细评估，并对引导磁场进行精确修正之后，科学家们才会注入强度更高的束流。LHC首次在7万亿电子伏特的设计能量下运行时，在圆环中顺时针和逆时针方向绕行的质子束团都只有一个。最终满负荷运转时，每个方向上将有约3,000个质子束团绕行。

　　如此慎重地对LHC加速器展开全面调试，肯定会查出许多问题。工程师和科学家们需要多少时间来解决这些问题，目前还无法预知。但如果一个扇区必须回到室温下进行维修，LHC的启动时间又将推迟好几个月。

　　LHC上的四个巨型探测器各负责一项实验，分别被称为ATLAS、ALICE、CMS和LHCb。它们的工期也很漫长，而且必须在束流调试开始之前完工。一些非常容易损坏的部件仍在陆续安装，比如2007年11月中旬被放置在LHCb中的所谓“顶点定位探测器”（vertex
locator
detector）。在访问期间，我这个许多年前念研究生时专攻理论而非实验物理的人，被密密麻麻的上千根电缆所震惊——正是这些电缆将探测器采集的数据一条一条传送出来。每一根电缆都有自己独特的标签，需要一丝不苟地准确安插到相应的插座上，并加以检测。

　　虽然还要等好几个月才能产生对撞束流，但一些研究生和博士后已经开始处理真实数据了。这要感谢从天而降的宇宙线（cosmic
ray），它们偶尔会贯穿法国瑞士边境的岩石，击中位于地下的探测器。这些闯入者给科学家提供了“实战演习”的良机：观测探测器如何应对这些闯入者，就能检验所有设备是否工作正常——从给探测器元件提供的电压，到数据读取系统的电路，再到将数百万单独信号整合在一起完整描述一个“事例”的数据获取软件，可谓面面俱到。

　　处理海量数据

　　当LHC在设计亮度下运行时，两个银针一样的质子束团相遇，将产生大约20次对撞事例。两次束团相遇的时间间隔仅为25纳秒，前一次束团相遇时向外喷射的粒子还来不及离开探测器外层，后一次束团相遇事件就已经发生了。位于探测器不同层中的元件，能够对穿过该元件的一些特定粒子作出特有的响应。每个事例都将产生大约1兆字节（MB）的数据，两秒钟就是1皮字节（PB，相当于10亿MB），这些数据流将通过上百万条通讯信道传送出来。

　　拥有多个级别的触发系统会把洪水般的数据减少到可以控制的程度。初级触发将收集和分析探测器中部分子系统的数据，根据一些独立要素挑选出其中最有价值的事例。比如，如果一个高能μ子的飞行径迹与束流轴的夹角偏大，这个事例就会被选中。这个所谓的“初级触发”由嵌合在硬件中的数百个专用计算机逻辑模块控制，每秒钟筛选出10万个束团的数据，供下一阶段的高级触发系统作进一步分析。

　　与初级触发不同的是，高级触发系统将收集探测器上数百万个信道传出的所有数据。该系统的软件运行在计算机集群上，对于初级触发筛选通过的每个束团，高级触发系统平均拥有10微秒的处理时间，足够去“重建”每一个事例。所谓“重建”，就是找出事例中所有粒子径迹的共同起点，并完整描述每个粒子的性质，包括它的能量、动量和轨迹等。

　　高级触发系统每秒钟将筛选出100个事例，上传给LHC的全球计算资源网络——LHC计算网格（LHC Computing
Grid）的集线中心。网格系统能够综合利用网络上所有计算中心的处理能力。用户只须从当地研究所登录网格，即可利用网格的处理能力进行数据分析。

　　LHC计算网格可分为好几层。第零层就设在CERN，主要由上千台市面上可以买到的计算机处理器构成，既有PC台式机，也有最新推出的比萨饼盒大小的黑色“刀片”服务器，它们都被堆放在一排排架子上（参见右页插图）。CERN还在订购更多的计算机，不断添加到这个网格系统之中。为了最有效地利用资金，CERN负责人与许多家庭计算机用户一样，不会购买最新、最强的计算机，而是追寻最佳性价比。

　　LHC上四个探测器的数据获取系统会把数据传送到第零层上，这些数据将被保存在磁带上。在这个DVD刻录机和闪存早已普及的年代，仍然用磁带保存数据似乎有些过时和落后，但CERN计算中心的弗朗索瓦·格雷（Francois
Grey）说，这是性价比最高、安全性最高的方式。

　　一旦开始运行，LHC将不断产生海量数据。CREN的数千台服务器被链接在一起，提供了管理这些数据所需的强大计算能力。

　　第零层将把数据分配给12个第一层计算中心，其中一个就设在CERN，另外11个分布在世界各地的其他主要研究机构，包括美国的费米实验室、布鲁克海文国家实验室，以及欧洲、亚洲和加拿大的几个研究中心。因此，未经处理的原始数据实际上拥有两个备份，一个保存在CERN，另一个分散在世界各地。第一层中的每个计算中心都会以紧凑格式，保存一份完整的数据，方便物理学家进行多种分析。

　　完整的LHC计算网格还包括第二层计算中心，主要由大学和研究所的小型计算中心构成。这些中心的计算机将为整个网格上的数据分析提供分布式处理功能。

putyduck

好厲害，但我想，也有可能產生無法承擔的後果吧！