王贻芳对撞机巨型粒子对撞机

admin 2024-04-18 12:28:06 举报

王贻芳对撞机巨型粒子对撞机

经过两年的休息，大型强子对撞机(LHC)即将重启，物理学家们准备通过新的实验，在物理标准模型之外取得突破。图片来源：《环球科学》

本文是在中文版《科学美国人》授权下发表的。

马修查尔莫斯(Matthew chalmers)著，庞伟主编。

迈克拉蒙特()抓起桌上最后一个羊角面包，边吃边走过CERN的控制大厅。欧洲粒子物理研究所是一个欧洲粒子物理实验室，位于瑞士日内瓦郊外。这时已经是上午10点了，控制大厅里挤满了物理学家，他们正盯着房间里的电脑屏幕。欧洲粒子物理研究所(CERN)束流部门的运行主任拉蒙特解释说，他们正在进行一些测试，以确保大型强子对撞机(LHC)的电子设备、真空管和超导磁体在计算机意外故障时不会受到影响。LHC是世界上最强大的粒子加速器。

在LHC的休息期间，拉蒙特和他的同事需要做大量的测试，这只是其中之一。这一重大突破始于2013年3月，现在即将结束。目前正在进行的工作是对加速器内27公里长的超导磁环进行冷却，为2015年加速器重启做准备。一旦LHC再次投入运行，两个质子束将在圆形轨道上向相反的方向移动。拉蒙特和他的同事将尽最大努力使质子束能量接近其设计能量：每束7万亿电子伏特(TeV)，这几乎是LHC以前运行能量的两倍。每一个质子束都承载着相当于一列高速列车的巨大能量。

拉蒙特很清楚事故的严重后果。他曾在2008年9月经历过事故：当时团队最后一次尝试将耗资50亿美元的对撞机运行能量提高到设计能量，但电子设备出现故障，中断运行一年多，最终花费数千万美元进行修复。

“从那以后，我们对这台机器有了更多的了解，”拉蒙特说。研究人员设法修复了它，并在2009年底将其重新投入运行。为了防止设备再次“撞击”，研究人员将其工作能量设置为设计值的一半。然而，质子束的能量足够高。通过高能质子束的碰撞，获得了长期寻求的证明希格斯玻色子()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，希格斯玻色子是这个模型中最后一个未经证实的预言。

2012年7月，科学家宣布发现希格斯玻色子，2013年诺贝尔物理学奖授予首次预言该粒子存在的理论物理学家。面对所有的欢呼和掌声，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中获得更多的信息。新发现的希格斯粒子是标准模型预测的唯一一个同类粒子，还是只是希格斯粒子家族中最轻的成员？如果有更多的希格斯粒子，其中一些可能会出现在更高能量的碰撞中。高能碰撞也可能产生一些奇怪的新粒子，即使是标准模型也无法预测。

理论物理学家预测这种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，每个粒子都有一个更重的超对称粒子()，或者超伴。理论上，普通粒子和它们的超级伙伴之间有明显的区别。暗物质可能由这些粒子中的一种或多种组成。暗物质虽然看不见，但是质量很大，可以控制星系的运动，但是标准模型根本没有提到。如果这些粒子的质量不太大，不超过LHC的最大设计能量，那么寻找这些粒子就是加速器重启后的主要目标之一。甚至有可能得到更奇怪的结果，比如在三维空间之外找到更高空间维度的线索。但首先，莱蒙特和他的团队应该让LHC全面投入运营。

酷炫的巨型磁铁

从控制中心开车，开车不久，莱蒙特就到了目的地。他戴上头盔，穿上金属包裹的靴子，背上紧急呼吸设备，走进一个可以到达地下100米深处的电梯。电梯出口面对维修通道，从那里你可以走一小段路到达LHC隧道。

莱蒙特说，即使在欧洲核子研究中心工作了25年，他仍然对这个仪器的力量和复杂性感到敬畏。和控制室里平静的气氛完全不同。LHC嗡嗡作响，咔嚓声和尖叫声此起彼伏，隧道里充满了金属、灰尘和高温电路的气味。重型千斤顶从混凝土地板上提升一些长度为15米、重量为35吨的磁铁。磁铁充满了复杂的电线和管道，这些电线和管道被包裹在密封的束管中，并穿过磁铁的中心。为了避免再次短路，研究人员为LHC配备了各种传感器和电缆，几个千千表，甚至最轻微的电压波动都可以检测到。更重要的是，所有连接这些磁铁的超导连接器都被加强或更换了。250多名工人花了一年多的时间完成了光的任务。

从2014年6月开始，莱蒙特团队开始对磁体进行冷却，他们想把磁体冷却到最终工作温度1.9K，在这个温度下，用来产生磁场的载流电缆将进入超导状态。为了控制整个冷却过程，LHC的加速环分为八个部分，每个部分可以单独冷却，每个部分需要两个月。一旦所有磁体冷却下来，就可以进行电气测试，以确保磁体在高能量下正常工作。莱蒙特知道事情不可能一帆风顺。有一些磁体在地面测试时表现完美，但由于某种原因，当它们产生的磁场等于产生的束流时，这些磁体就失去了超导性。这不是灾难。要修复这样的磁铁，你只需要多循环几次，直到它们稳定下来，进入正常状态。但莱蒙特说，这需要时间，“更不用说成百上千个这样烦人的人了”。

无论如何，质子束将被重新注入LHC，这将是一个划时代的事件。目前，研究人员将这个时间设定在2015年3月。之后，经过几周的测试，物理学家将开始操纵光束进行碰撞，然后确认探测器是否安全

全，之后就可以开始搜集数据了。

隧道里飘浮着一种淡淡的烧焦的气味。莱蒙特解释说，这是在加热真空管道，从而驱散其中的分子。他走过几块磁铁，来到一面巨大的铜钢金属墙面前，裸露的束流管在这里穿墙而过。墙的另一边就是ATLAS，LHC四台主要粒子探测器之一（见“休整后的环形轨道”）。很快，一束束高能质子就会从这里呼啸而过，飞向ATLAS，它们将在那里猛烈撞击，并向其他方向偏折，碰撞残骸也会通探测器向外喷射。

王贻芳对撞机巨型粒子对撞机

升级探测器

在LHC环形轨道的另一侧、离ATLAS大约8.5千米的地方，蒂齐亚诺·坎波雷西（TizianoCamporesi）抬头凝视着12500吨的紧凑μ子线圈（CompactMuonSolenoid，CMS），30年前设计它的那些物理学家，其胆魄令坎波雷西惊叹不已。“他们一定是群疯子，”坎波雷西说道。CMS是一个巨大的圆柱，里面有大量的粒子硅探测器、超导磁铁和约束磁场用的厚重钢铁。很多人宣称这台装置太过复杂，根本无法运行，但它不但运行了起来，“而且远超我们的预期，”坎波雷西说道。正是CMS和ATLAS在2012年确认了希格斯玻色子的存在。

2014年初，坎波雷西被选为CMS的发言人，代表在使用该探测器进行合作研究的3800位科学家。眼下，他正在为LHC的重新运行做协调工作。像LHC所有主要探测器（包括位于其他位置的更为复杂的ALICE和LHCb探测器）的实验团队一样，他的团队已经在中断期内对CMS进行了一些必要的维修和升级。他们得到了幸运女神的眷顾：在CMS探测器的中心区域，也就是束流交汇以及新粒子从碰撞点喷涌而出的位置，敏感的硅示踪器没有受到辐射损伤，可以继续使用。但是，CMS的物理学家还是换掉了一些失效的光电倍增管，它们会产生虚假信号，显示产生了一个新的奇异粒子，但事实上，这个粒子并不存在。

坎波雷西尤其对在CMS末端新增的四个碟形腔感到自豪，它们能够增强CMS对μ子（muon）的探测能力。这项升级最终能提升探测器的“触发器”水平，也就是一连串电子设备及软件，它们可以引导碰撞后产生的粒子喷流通过探测器，并在粒子喷流中搜寻特定模式，然后判断其中是否有值得进一步研究的东西。但LHC下一次运行时，不仅束流能量会提高，其中携带的质子数目也将增加。最终，在CMS中每秒将发生10亿到20亿次碰撞。也就是说，当上一次碰撞产生的微粒还在奔向探测器的途中时，身后已经又发生了50次新的碰撞。触发器需要对这么多事件进行分析和判断，哪些信息值得存储下来，以备后续研究。研究人员的目标是，将触发器记录信息的频率降低到每秒几百次，“这项工作现在占用了我们大量时间，”坎波雷西解释道。

LHC休整后的环形轨道。点击图片查看大图。图片来源：《环球科学》

浩如星海的数据

重新休整的LHC一旦开始运行，CMS和其他探测器上获得的原初电子信号，将直接汇集到CERN大本营，然后通过光纤传递到计算机中心。那是一间密不透风、没有窗户的房间，布满了密密麻麻的机架，那里一共装配有约10万台处理器，散热风扇呼呼作响，控制着房间温度。

这些处理器将用算法分析汇集而来的数据，判断每个从碰撞中喷射出来的粒子的特性、能量和其去向。分析结果将存储在磁带上，比起数字存储方式，这种老式的存储介质更便宜、储存时间更久。

但是，只是将信息存储起来，已经远远不能满足研究人员对实验结果近乎“贪婪”的胃口了。今天的粒子物理学家将大部分时间用在了编写计算机代码上，他们编写了成千上万行代码，用于在数百万个事件中搜寻不同寻常的信号。为了将数据传递至这些研究人员手中，CERN搭建起了一个全球计算网格（WorldwideComputingGrid），计算机中心将数据备份下发到分布在全球的13个“1级”电脑中心，然后再由1级节点下发至150个规模小一些的2级节点，大部分2级节点都设在大学中。

幸运的是，对终端用户而言，他们无需为这些细节操心，只要将程序上传到网格上，指定要检查哪些碰撞事件即可。网格软件会自动将任务分配给有足够计算能力和存储空间的中心，计算结束后再将结果返回。我们到访的这天，在CERN的电脑中心，实时大屏幕上就显示，单在CERN就有10500个程序正在运行，CERN仅占网格资源的6%而已。作为英国网格协调员，剑桥大学的物理学家杰里米·科尔斯（JeremyColes）说，要没有网格，他的同事可能还在如大海捞针般寻找希格斯玻色子。

在科尔斯看来，未来的挑战是，如何处理即将到来的浩如星海的数据。在LHC的第一次运行期间，尽管探测器的触发器已经过滤掉了大部分数据，但数据还是以每年15拍字节［petabyte，1拍字节（PB）＝210太字节（TB）=220吉字节（GB）=230兆字节（MB）］的速度累积，这比每年上传到YouTube上的视频总量还要多。而当LHC在2015年重启时，加倍的碰撞率将每年产生大约30PB的数据，几乎相当于每秒产生1GB的数据。

全球计算网格是否有能力应对数据的激增，科尔斯对此抱有信心。这不仅是因为技术上的进步让各计算中心之间的集成度更高，而且“在过去的10年，网络的传输速度已经大大提升，”他补充道。比如在2013年，在受到现有空间和能耗限制之下，他们通过两根传输速率高达每秒100G的光纤，将位于布达佩斯的设备连接进来，扩充了CERN数据中心的处理能力。科尔斯说，从运行上看，布达佩斯的设备和放置在隔壁的设备没什么区别。

但数据暴涨不会就此止步，计划中的对LHC的各项升级工作，将会使LHC产生的数据量继续增长，2020年初将达到每年110PB，最终将到达每年400PB。“我们现在还无法处理这么多数据，”科尔斯感叹道。更糟糕的是，计算机芯片的运行速度正在进入平台期，目前最好的商用芯片通常会使用2个、4个或8个处理器来提高运行能力，未来的芯片可能会有更多处理器，但LHC上的代码只能在单处理器上运行。要让代码在这么多处理器上并行运行，要将约150万行代码重新编写，这需要数千人花费数年时间才能完成。

在20世纪80年代末，当CERN的物理学家需要一个更好的方式来分享数据时，他们发明了万维网（WWW），而在上世纪90年代，当他们需要一种更好的方式来访问计算机存储资源时，又发明了世界上最大的计算机网格。因此对于上述问题，LHC的科学家似乎也应有信心解决。

在谈及“下一代大型加速器”时，莱蒙特看上去也有着同样的信心。尽管CERN才刚庆祝完60周岁生日，而LHC也还有20年时间来进行质子碰撞，但实验室已经开始探索建设80～100千米左右的加速器的可行性了，那将会进一步深入探索物质的结构。莱蒙特同时也指出，LHC虽然在2008年才开始第一次运行，但实际上，早在1984年，研究人员就开始规划了，因此，“我们现在必须开始考虑下一代加速器的事情了”。（编辑：Steed）

扩展阅读