言大强子对撞机心脏之旅

从街面上一点也看不出来，用于粒子物理研究的世界上最大的科学测量装置ATLAS综合体的宏伟。交通繁忙的梅林干线将它的地面结构和欧洲核子研究中心的主场地分离开来，看上去它就像是一个靠近普通加油站的仓库。在迈入其正门之前，我不是很确定到底会看到什么。

欧洲核子研究中心（CERN，法语Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“欧洲核子研究理事会”的字头缩写）是致力于核研究的欧洲组织，坐落在靠近日内瓦的瑞士与法国的边界线上，它以其开放性为荣。与军事设施不同，它容许任何获得批准的人前来参观，并且可以到处拍照。虽然如此，由于现代粒子探测器具有危险和精密的特性，进入放置这些仪器的“山洞”还是需要签署极其严格的协议。

照片中的巨大圆环是大强子对撞机上长达17英里的隧道管

在参观一个还没有完全完工的场地时，我带上了一个类似建筑工人使用的头盔。我的东道主，研究员拉里·普赖斯和查理·杨身上带着辐射标志，这是为以后束流线开始运行做必要的预警练习。在获得最终许可之后，他们在进入内室的大门外输入了密码，打开了电动门。

在进入地下区域之前，我们看到了两个巨大的竖井，探测器部件将通过它们降到地下350英尺处。我站在其中一个井口边上，盯着这个深洞。当我伸着脖子想看到底部的时候，在关注下面的同时，敬畏和眩晕也涌现了出来。

在另外一个井口的上面，一个巨大的起重机正准备把部件放下去。将探测器的原部件从不同的产地运过来，然后在这么深的地方用一种不会破坏其精密电子器件的方法将它们组装起来，这样的事情真是令人难以置信。精密地规划如此复杂的项目真是非同凡响，而这样的事情仍在继续着。

我们乘坐快速电梯下到称为“束流层”的地方。现在我们的位置和大强子对撞机（LHC）的束流管处于相同的深度，这个巨大的管道将用于汇集质子和其他粒子，让它们沿相反的方向上进行加速，并在创纪录的能量下撞在一起。ATLAS探测器位于质子对撞的一个交汇点。这个探测器的一半位于束流层上面，另一半位于束流层下面，用于调节碰撞所产生的向各个方向喷薄而出的粒子洪流。

从电梯通往控制室和观景台的通道是弯弯曲曲的，这样一旦发生了辐射泄漏就可以起到阻碍作用。大多数类型的辐射不能穿透厚墙。但仍然还有很多观测仪器在对辐射程度取样，目的是使人体对辐射的暴露降到最低。

下面走廊里的空气似乎有些不新鲜。它们是通过通风系统抽进来的，并被密切地监控。探测器的部件之一是液氩，它们被冷却到只比最低的温度——绝对零度——高几度的温度。如果因为某些原因它们突然被加热汽化，并泄漏出来，那么就会很快全部被适于呼吸的空气替换掉。由于到处都是预警系统，所以如果这样的危险即使发生了，工人们将会及时收到警告，并疏散出去。

最后来到了观景台，看着面前的全景我被震惊了。以前我从来没有看到过这么大的、闪闪发光的金属和电子器件阵列。它们排列组成了一个长长的卧式圆筒，两边套着一个巨大的有着无数辐条的闪亮轮子，其昵称是“大轮子”。仿佛就是遇到了幻想中最大的外星系宇宙飞船，停靠在一个同样庞大的航天发射场上。

如果大质量的新粒子在随后几年里被发现了，比如说理论上会为其他自然组分提供质量的希格斯玻色子，那么这里可能就会成为一个很好的产卵场。不会随便按一个按钮，然后突然一阵闪光新粒子就出来了，而是需要对经过很长时间收集来的数量庞大的数据进行严密的统计分析。不会很浪漫地突然就出乎意外地看到一个新的粒子成形了，是通过统计而不是通过烟火来发现粒子。

由于探测器的内部在远早于我来参观的时候就被密封了，因此想看到里面是不可能的。至于外面的部分，我仅能认出巨大的环形（面包圈形）磁铁，它用来导引从内核中逃出来的带电基本粒子。研究人员们把这些穿透过来的粒子称为μ子，它们类似于电子，但是质量更大。其实探测器的体型如此巨大的主要原因是，它要成为世界上最好的μ子捕获器。大轮子的每一个“辐条”都是一个μ子室。

ATLAS这样的现代粒子探测器有点像连续安置的陷阱，其中每一个都设计用于捕获不同的东西。从一种类型的陷阱中溜掉的粒子可能会被另一种陷阱捕获。做各式各样不同搭配的最终效果是抓住几乎所有会动的东西。

假设一个房间里充满了各种害兽和昆虫。在厨房里放一个老鼠夹子可以抓住一些啮齿动物，但蚂蚁却可以自由地漫游。蚂蚁陷阱虽然会诱捕一些这类昆虫，但对于苍蝇来说却是用处不大。类似地，ATLAS由多层探测器组成，每一层都设计用于确定某类粒子的性质。

某些粒子，比如电子和光子（光的粒子），会被一个称为电磁热量计的内层探测器捕获。在那里用对光敏感的液氩来测量它们释放出的能量。其他粒子，比如质子和中子，会被之后的一个更加紧密的称为强子热量计的内层探测器捕获。但是我无法看到这些内层探测器。

在大多数情况下，μ子会完全逃离出内层探测器，它们是唯一可以穿透出来的带电粒子。这就是为什么把探测器的外包层称为μ子系统。它看上去像是以束流线为中心的侧桶，用两个很重的“端帽”架在两边。它们有助于跟踪尽可能多的μ子，这使得这个探测器成为了可以产生这种粒子的任何实验的理想选择。

尽管ATLAS在捕获粒子时很好用，但的确有些粒子能穿透所有这些障碍。中微子是质量极小的电中性粒子，它们就能很顺利地逃掉。对此研究人员除了计算丢失的能量和动量以外，能做的事情并不多。众所周知，中微子是很难被探测到的。而且因为束流线显然是不能被塞住的，如果对撞产物运动路线的角度足够小，那么它们就会被错过。假设最感兴趣的结果中所涉及的粒子相对于束流线以大角度运动，那么那些靠近束流线运动的粒子所产生的信息缺失就不重要了。

像梅丽莎的头发般的线缆把探测器中的精密电子器件连接到外部世界中，从而可以远程收集数据。这些连接使得在它运行的时候，只需要相对比较少的项目科学家冒险下到探测器实体那里去。使用一个叫做Grid的系统，科学家能够用世界各地特定中心里的计算机处理和解释所产生的信息流。然后他们将寻找称为特征的具体相关性，它们对应于希格斯玻色子以及其他正在寻找的粒子。

把放置ATLAS的巨大人工山洞只是当作LHC的一部分是谦虚的。束流管通过山洞的一面墙进入后面巨大的隧道里面。我所在的地方几里之外是放有其他实验装置的洞穴：有着强中心磁铁的多用途探测器CMS；用于检验铅离子对撞的专用探测器ALICE；专门用于检验底夸克间相互作用的特殊探测器LHCb；以及其他装置。

回到地面后，我花了些时间去游览了LHC加速环上面的法国乡村。17英里长的环形隧道的大部分位于被称为热克斯或“热克斯乡村”的边境地区下面，那里充满了田园风光。我拿着护照，搭上从日内瓦中央车站开往法国乡村菲内里维伏尔泰的公交车。根据随身携带的地图查看得知，这个乡村就大致处在LHC的一部分隧道上面。

在这个伏尔泰曾经探讨过哲学、古色古香的地方，邮件依然是靠邮递员骑着自行车投递的。面包店里按照古老的传统烘烤着新鲜的长条法式面包，奶酪店供应着本地生产的奶酪，比如味道浓郁的蓝莓奶酪。粉刷成黄色或绿色的房子已经褪色，屋顶铺盖着勃艮第瓦，它们沿着出城的道路排列着。从表面上看，这个社区似乎没有接触到什么现代的东西。当我看到一辆白色货车从角落里转出来的时候，这个幻象被打破了。在显著位置陈列的欧洲核子研究中心标志提醒着我，这个温馨的田园村落及周边地区是在为21世纪的一项前沿科学工作服务。

回到欧洲核子研究中心的梅林区，我注意到一种新旧并列的相似性。欧洲核子研究中心是一个会让人很容易就想到它的历史的实验室。它的街道是用那些在其职业生涯中寻找大自然基本组分的人们的名字来命名的，从德谟克利特到玛丽·居里，从詹姆斯·克拉克·麦克斯韦到阿尔伯特·爱因斯坦。在其博物馆区散布着各种各样的加速器和不同形状、不同大小以及不同年代的探测器。早期的小探测器与ATLAS的对比，显著表现了过去75年中粒子物理不可思议的发展。

欧洲核子研究中心很好地利用了许多老装置。进入LHC的粒子将先用几个不同的老加速器提升能量，其中最早的一个建造于20世纪50年代。就好像是来自过去的灵魂必须在未来的冒险开始之前为它们祝福似的。

了解了这些事情后，在把我们推进入现代问题和现代技术之前，作为起步，我们必须先看看基本粒子的历史以及揭开这些秘密所用的方法。我写这本书的目的，不仅是要把它作为大强子对撞机以及什么地方可能会出现重大发现的指南，而且要把它作为人类对识别大自然的基本组分是什么这个古老问题的科学探索指南。就像穿越一个高能加速器一样，它将是一个迷人之旅。