“王贻芳 对撞机 巨型粒子对撞机”

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经过两年的休息，大型强子对撞机( lhc )重新启动，物理学家们计划通过新的实验，在物理标准模型之外突破。 图片来源:《全球科学》

马修·查尔莫斯( matthew chalmers )着，庞伟主编。

麦克拉蒙()抓住桌子上最后一块羊角面包，一边吃一边走过cern的控制大厅。 欧洲粒子物理研究所是位于瑞士日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室。 这时已经是上午10点了，控制大厅里挤满了物理学家，他们盯着房间里的电脑屏幕。 欧洲粒子物理研究所( cern )束流部门的运营主任雷蒙解释说，为了在计算机意外故障的情况下，防止大型强子对撞机( lhc )的电子设备、真空管、超导磁铁受到影响，正在进行测试。 lhc是世界上最强大的粒子加速器

在lhc休息期间，拉蒙和同事需要进行大量测试。 这只是其中之一。 这个重大突破将于年3月开始，现在就要结束了。 目前正在进行的工作是冷却加速器内27公里长的超导磁铁，为年加速器的重新启动做准备。 lhc再次运行时，两个质子束在圆轨道上向相反方向移动。 拉蒙特和同事会尽最大努力使质子束的能量接近设计的能量。 每束7万电子伏( tev )。 这几乎是lhc以前运行能量的两倍。 每个质子束承担着一列高速列车的巨大能量。

拉蒙很清楚事故的严重后果。 他在2008年9月经历了一次事故:当时小组最后试图将价值50亿美元的对撞机的运行能量提高到设计能量，但由于电子设备故障，中断运行一年多，最终耗费数千万美元进行修复。

拉蒙说:“从那以后，我们对这台机器了解越来越多。” 研究人员对其进行了修复，试图在2009年底重新启动。 为了防止设备再次“碰撞”，研究者将其业务能量设定为设计值的一半。 但是，质子束的能量足够高。 由于高能质子束的碰撞，得到了说明长期以来所追求的希格斯玻色子()存在的决定性证据。 建立了40年的粒子物理标准模型()，是现代物理学的基本理论之一，希格斯玻色子是该模型最后一个未经证实的预言。

年7月，科学家发现希格斯玻色子，年诺贝尔物理学奖授予了第一位预言这种粒子存在的理论物理学家。 面对所有的欢呼声和掌声，lhc的物理学家对此并不满意。 他们希望从再次起航的加速器上得到越来越多的消息。 新发现的希格斯玻色子是标准模型中预测的唯一同类粒子，还是希格斯玻色子家族中最轻的成员？ 如果希格斯玻色子增加，其中之一可能出现在更高能量的碰撞中。 高能碰撞也有可能产生有点奇怪的新粒子，即使是标准模型也无法预测。

理论物理学家预测这个奇怪的粒子已经有几十年了。 20世纪70年代初提出的超对称()理论是标准模型的扩展。 根据这个理论，各粒子有更重的超对称粒子()或超伴。 理论上，普通粒子和它们的超级伙伴之间有明显的差异。 暗物质可能由这些粒子中的一种或多种组成。 虽然看不见暗物质，但是质量很大，可以控制银河的运动，但是完全没有提到标准模型。 如果这些粒子的质量在lhc的最大设计能量以下，那么寻找这些粒子就是加速器重启后的首要目标之一。 也有可能得到更奇怪的结果，如在3维空之间以外找到更高的空之间的维线索。 但首先，莱蒙和他的团队必须全面运营lhc。

从控制中心开车，开车不久，莱蒙特就到达了目的地。 他戴着头盔，穿着沾满金属的靴子，背着紧急呼吸设备，进入了地下长达100米深的电梯。 电梯出口面向维修通道。 从那里走一小段路到lhc隧道。

拉蒙说，即使在欧洲核研究中心工作了25年，他也对该装置的力量和许多性吸引力感到恐惧。 和控制室平静的气氛完全不同。 lhc发出嗡嗡的声音，发出咔嚓咔嚓的声音，隧道里充满了金属、灰尘、高温回路的气味。 重型千斤顶从混凝土地板上抬起一点长15米，重35吨的磁铁。 磁铁充满了许多复杂的电线和管道，这些电线和管道被密闭的束管包裹着，通过磁铁的中心。 为了避免再次短路，lhc上搭载了各种传感器和电缆，可以检测数千张桌子，甚至最轻微的电压变动。 更重要的是，连接所有这些磁铁的超导连接器都得到了加强或更换。 20多名工人花了一年多的时间完成了光的任务。

从年6月开始，莱蒙的团队开始冷却磁铁。 他们试图将磁铁冷却到最终的工作温度1.9k。 在该温度下，用于产生磁场的通电电缆将进入超导状态。 为了控制整个冷却过程，lhc的加速回路分为8个部分，每个部分可以单独冷却，每个部分需要两个月。 一旦所有的磁铁冷却了，就可以进行电测试，使磁铁在高能量下正常工作。 蒙特知道事件不会一帆风顺。 虽然地面试验中有完美的磁铁，但是如果由于某种原因产生的磁场与产生的光束相等，这些磁铁就会失去超导性。 这不是灾难。 修复这样的磁铁，只要多次循环直到稳定达到正常状态即可。 但是，柠檬说这需要时间。 “不用说数百人给你带来这么多麻烦”。

无论如何，质子束重新注入lhc是划时代的事情。 现在，研究者把这个时间设定在每年3月。 然后，经过几周的测试，物理学家操作光束开始碰撞，确认探测器是否安全。

在lhc环状轨道的另一侧，距离atlas约8.5公里处，蒂齐亚诺·坎波雷西( tizianocamporesi )仰望了12500吨的紧凑型μ子线圈( cms )，震惊了30年前设计的物理学家中的哪些“ cms是一个巨大的圆柱，里面有大量的粒子硅探测器、超导磁铁和用于约束磁场的厚钢铁。 很多人声称这个装置太多太复杂，完全不起作用，但不仅起作用，坎波雷西还说:“远远超出了我们的期待。” 是cms和atlas在去年确认了希格斯玻色子的存在。

年初，坎波雷西被选为cms发言人，代表着3800名使用该探测器进行联合研究的科学家。 目前，他正在为lhc的重新运行进行协调工作。 和lhc所有主要探测器(包括其他地方噪声更多的alice和lhcb探测器)的实验小组一样，他的小组在中断期间进行了cms所需的修理和升级。 他们得到了幸运女神的关怀:在cms探测器的中心区域，也就是波束交叉，新粒子从碰撞点喷出的位置，敏感的硅示踪剂不受辐射损伤，可以继续采用。 但是，cms的物理学家还是更换了有点故障的光电倍增管，它们产生了错误的信号，表明产生了新的奇怪粒子，但实际上，这个粒子并不存在。

坎波雷西特别以cms末端新添加的4个皿状腔为荣，能够提高cms对μ子( muon )的检测能力。 这个升级最终提高了探测器的“触发”水平，也就是一系列电子设备和软件，将碰撞后产生的粒子喷流引导到探测器上，从粒子喷流中探索特定的模式，评价其中是否有需要进一步研究的东西。 但是，lhc下次运行时，不仅波束的能量会提高，其中携带的质子数也会增加。 最终，cms每秒发生10亿次至20亿次冲突。 也就是说，在上次撞击中产生的微粒还在前往探测器的途中，后面发生了50次新的撞击。 触发器需要分解和评估这么多事情，那些新闻值得保存，以便为以后的研究做准备。 研究人员的目标是将触发器记录新闻的频率减少到每秒数百次，坎波雷西解释说:“这项事业现在占用了我们很多时间。”

lhc休养后的环绕轨道。 点击图片查看大图图片来源:“全球科学”

重新整修后的lhc开始运转后，从cms和其他探测器得到的原始电子信号直接汇集到cern大本营，通过光纤传播到计算机中心。 它是一间不通风、没有窗户的房间，被塞满了密密麻麻的机架，里面搭载了约10万台解决方案，散热风扇响起，控制着房间的温度。

这些解决方案用算法分解收集到的数据，评价从碰撞中喷射出来的各个粒子的特征、能量及其下落。 分解结果保存在磁带上。 这种旧的存储介质比数字存储方法更便宜，存储时间更长。

但是，光保存新闻已经不能充分满足研究者对实验结果近乎“贪婪”的胃口。 今天的粒子物理学家花了很多时间编写计算机代码，他们写了上千万行代码，在数百万事件中寻找罕见的信号。 为了向这些研究者传播数据，cern构建了全球计算网格( worldwidecomputinggrid )，计算机中心对分布在全球的13个“一级”计算机中心进行数据备份

幸运的是，对最终用户来说，他们不需要担心这些细节。 把程序放入网格中，指定检查那些冲突就行了。 网格软件会自动向存储空之间的中心分配足够的计算能力和任务，并在计算完成之后返回结果。 我们访问的那天，在cern的计算机中心，实时大屏幕显示，仅cern就在运行10500个程序，cern只占网格资源的6%。 剑桥大学的物理学家杰里米·科尔斯说，作为英国的网格协调员，如果没有网格，同事可能还会像在海里捞针一样寻找希格斯玻色子。

科尔斯说，未来的挑战是如何解决即将到来的浩如星海的数据。 在lhc首次运行时，探测器的触发器过滤了大部分数据，但数据每年为15兆字节[petabyte，1拍字节( pb ) =210兆字节( tb ) =220千兆字节( gb ) =230兆字节( gb ) =230兆字节。 这将是youtube。 lhc年重启后，以两倍的碰撞率每年产生约30pb的数据，几乎相当于每秒产生1gb的数据。

科尔斯对全球计算网格能否应对数据的急剧增长很有信心。 他补充说，这不仅因为技术进步提高了计算中心之间的集成度，还“在过去的十年中互联网的传输速度大幅提高”。 例如，受现有空和电力消耗的限制，布达佩斯的设备通过2根传输速度高达100g的光纤连接，扩展了cern数据中心的解决能力。 科尔斯说，布达佩斯的设备在运转上和旁边放置的设备没有什么不同。

但是，数据的暴涨并未停止，计划中的升级到lhc的业务将继续增加lhc产生的数据量，年初将达到每年110pb，最终达到每年400pb。 科尔斯感叹道:“我们至今还解决不了这么多数据。” 更糟糕的是，计算机芯片的运行速度已经进入平台期，目前最好的商用芯片一般采用2个、4个或8个解决方案来提高运行能力，未来的芯片可能会有越来越多的解决方案，但light 要在这么多解决方案中并行运行代码，重新编写大约150万行代码需要几千人几年的时间。

20世纪80年代末，当cern的物理学家需要更好的方法来共享数据时，他们发明了网络( www )，20世纪90年代，当需要更好的方法来访问计算机的存储资源时，世界上最大的计算机 这是因为对于上述问题，lhc的科学家也应该自信地应对。

对于“新一代大型加速器”，莱蒙看起来也有同样的自信。 cern刚刚庆祝60岁生日，lhc还在进行质子碰撞20年，但实验室已经开始探索建设80~100公里左右的加速器的可能性，将进一步深入探索物质的结构。 莱蒙特还指出，lhc于2008年首次开始运行，但实际上是研究人员于1984年开始策划的，因此“我们必须从现在开始考虑新一代加速器的事件”。 (:steed )

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