欧洲核子研究中心的发展

我们所处的年代是我们发现自然界中的基本定律的时代，这样的时代将永远不会再有。

——理查德·费曼（物理定律的特性，1965年）

相比于美国高能物理失控的航行，欧洲核子研究中心像是罗纳河中的汽船平稳地向前行驶着。加速器的能力不断增加，可以将粒子的能量提升得越来越高，每一块里程碑都是这个自然发展过程中的一部分。美国高能物理变得越来越政治化，随着政府的更迭而起伏。而欧洲核子研究中心的管理者的独立性，所作出的承诺，相互间的配合以及开展已有项目时的协作，使其成功地绘制出实验室未来数十年的发展路线图。

欧洲核子研究中心所表现出的令人印象深刻的高效性，一个方面表现在它把旧项目中的设备转化成最新设备中的主要部件的能力。老的质子同步加速器，在作为一个独立的机器退役后，马上就成为了超级质子同步加速器（SPS）的粒子注入器。而SPS可以用于不同的目标，包括作为更强大设备的预加速器。欧洲核子研究中心很少有东西会被浪费掉，这样可以使它的成本相对来说比较低。

改造陈旧的设备使其成为新设备中的一部分的秉性，反映出欧洲对节省空间和重要资源的需求。欧洲更拥挤一些，不能够肆无忌惮地任意发展。因此像SSC那样在一个远离其他实验室的地区从零开始建造一个全新装置的事情，不太可能在这儿发生。

大强子对撞机（LHC）利用了大正负电子对撞机（LEP）那个17英里长的旧隧道，这是加速器再利用的典范。挖掘LEP隧道是个庞大的工程，它从1983年一直挖到1988年，是欧洲最大的土木工程项目。由于主环处于日内瓦机场和汝拉山脉之间，工程师们没有什么空间来做调整。隧道挖掘机被迫炸开厚厚的岩石层。考虑到地形的变化，这个环不得不做一度半的倾斜。令人惊讶的是，这条隧道的对准程度几乎达到了完美（当两端对接的时候，其误差小于半英寸），其大小也非常精确地符合要求。因而LHC很幸运地不需要再去挖一条全新的隧道，只要能装进老的这条就好了。

鲁比亚以及其他人建议在LEP的环中放置超导磁铁，将它转变成一个强子对撞机。这个决定在20世纪80年代进行了第一次讨论。（强子，如质子，比电子质量大的多，因此将其引导走过相同的环需要更强的磁铁，比如说超导磁铁）根据报道，实际上自从LEP开始运行，鲁比亚就很急切地想把这个隧道改变一下。在SSC建造的时候，欧洲核子研究中心的许多物理学家都希望LHC可以首先完工。一个喊得很频繁的口号，就是要计划比SSC提前两年开始运行，让它成为打败美国的好东西。SSC的下马为这个项目增加了更多的推动力，因为这意味着LHC将代表着找到某些大质量粒子主要的或者说唯一的希望。国家间竞争、相互竞争的实验室相互验证结果的模式，在早期使用小机器的时候工作得很好，但现在需要改变成以欧洲为中心的国际合作。

建造LHC的最终决定是在SSC封闭后一年多时作出的。1994年12月16日，欧洲核子研究中心的19个成员国投票决定，在20年内投资150亿美元建造未来全球最强大的对撞机。在其领导人作出坚定的承诺之后，孕育伽利略和开普勒的欧洲大陆再次准备好成为科学先锋。

与SSC不同，在LHC的建造中政治几乎无迹可寻。每一个属于欧洲核子研究中心的欧洲国家根据其国民生产总值每年提供一笔特定的经费。富一些的国家，比如说德国、法国和英国，承担了欧洲核子研究中心预算的主要部分，一般来说并不每年讨论这笔费用是多少。（然而英国最近在对未来的科学项目方面变得更加谨慎了）因此欧洲核子研究中心的管理层可以信赖相应的某些数字和计划。

此外，与美国的情况不同的是，欧洲区域竞争从来不是决定项目在什么地方建造。隧道的很大一部分坐落于法国的热克斯地区，但他们并没有喊着“不要在热克斯瞎搞”的口号，用这种或那种方式来煽动政治家们。相反，他们和平地接受欧洲核子研究中心为长久的邻居，与农民、葡萄酒酿造师、奶酪制造商以及其他的生产者们一起共享这片土地。这个地区宣告的座右铭是：“Un jardin ouvert sur lemonde（一个向世界开放的花园）。”

在瑞士这边，日内瓦有着各种国际公司。国际联盟是在这里建立起来的，很多条约在这里签署，现在有着非常多的国际组织：联合国欧洲总部，世界卫生组织，国际劳工组织，红十字国际联合会，红新月会以及许多其他的组织。欧洲核子研究中心及其相关合作研究机构被很好地接纳了。研究人员所说的外语混杂在一起，包括英语、俄语和场论等，这没什么特别；日内瓦的外交官比巴别塔（译注：传说中人类共建的通天塔，但因为工人们语言不通而失败）更厉害。

此外，几个世纪以来日内瓦见证了大量开创性的运动。与宗教改革运动和启蒙运动相比，在地下将粒子们撞击到一起所造成的震动，还几乎够不上载入这座城市的历史里氏震级。

的确，日内瓦西边法国的乡村要安静很多。为了确保和谐的关系，欧洲核子研究中心设法使其对这个区域的影响降到最小。薄雾笼罩的汝拉山脉的牧场和葡萄园，没有显露出任何迹象说明在这下面几百英尺深的地方有一个巨大的粒子碰撞环。只有偶尔见到的路牌，将欧洲核子研究中心的运货车引导到散落布置的实验室建筑那里去；穿过绿色和金色帷幕的电线才显露出来这底下有什么东西的一些线索。

后者代表了可能算是最大争端的源头，欧洲核子研究中心对于这个地区的电力来说，是一个巨大的排水沟。最初电力是由瑞士提供的，现在则由法国供应。当机器全负荷运行时，欧洲核子研究中心几乎会耗尽日内瓦州的全部电力。由于这个地区有着电加热的习惯，在冬天的时候电力的使用尤其厉害。作为一个体贴的邻居，其结果是欧洲核子研究中心得经常调节电力需求。例如，安排在一年中最冷的时候关机。尽管这意味着收集到的数据会变少，但对那些喜欢运动的研究人员来说是幸运的，冬天机器关闭的时候正好是附近阿尔卑斯山滑雪的最佳时节。

为了准备LHC项目，LEP的隧道得完全清空。LEP的最后一次运行是在2000年，更新最终就要开始了。几种不同类型的几千个超导磁铁的订单发了出去。其中一种称为双极磁铁，用来控制双质子（或离子）束沿圆周运动。（LHC实验的一部分是加速离子而不是质子）双极磁铁会引导带电物体沿垂直于磁场的方向运动，这种方式是很理想的。另一种磁铁称为四极磁铁，其目的是聚焦粒子束，防止它们分散得太厉害。为了简化LHC的设计，它们被等间隔地安放。其他更复杂的磁铁设计称为六极磁铁、八极磁铁、十六极磁铁，它们混杂着加了进去用来提供精细的粒子束修正，就像一个精细的太空任务，轨道必须被调整得恰到好处。

由于粒子在环绕LHC巨大的实验空间运动时会被交替着调整轨道和聚焦，因此这台机器没有设计成完美的圆形；而是把它分成八个扇形，每一个扇形独立地提供能量。这些扇形包括了弯曲的部分和直的间隔，后者用于各种不同的目的，包括注入粒子，使粒子束变细和进行各种实验。

研究人员们认识到需要维持两种极端的条件以获得LHC的成功。这些要求将会把外空间中的苛刻条件带到地球上来。首先，穿过磁铁间隙的双束流管需要尽可能地保持真空。这可以让质子（或离子）在这场弹球游戏中不会撞到气体分子而达到最高能量。所选用的抽气系统可以使其气压达到地面大气压的10-13（十万亿分之一）。这远非星际之间的空间那么真空，不过这比地球上任何地方都要接近纯真空了。

其次，那几千个磁铁需要处于低于临界温度的超冷态以保持它们的超导状态。这是为了保持尽可能高的磁场强度，它超过了8.3特斯拉，是万亿电子伏加速器中磁场强度的两倍。为了保持这么低的温度，需要用超流状态的氦，这是这种元素的一种高相关超冷态，其温度是1.9开尔文（仅比绝对零度高1.9摄氏度）。这比彭齐亚斯和威尔逊在证明大爆炸时探测到的微波背景辐射的温度还要低。

乍一看，让这么多磁铁保持这么冷的状态似乎是太过昂贵了。超流氦的确造价昂贵，然而会有一层隔离真空层包围在每个“冰冻磁铁”（超冷磁铁被这么称呼）周围，外界来的热量几乎无法渗透进去，真空是一件绝好的隔热毯。

LHC的设计者们不得不需要处理的另一个因素是来自月球的影响。值得注意的是，月球对这一地区有着周期性变化的引力。不！这不是菲尔奈伏尔泰和默林附近游荡在森林里的狼人在满月时会变得疯狂，渴望着在超冷盒子里翻找出冰冻牛排。至少就我们所知不是这样。月球的影响就是纯引力，就像它会拉扯海洋制造潮汐一样，月亮对地面也有拉扯作用。岩石当然不会像水一样柔软容易变形，但它们的确有一定程度的弹性。由于月球的拉扯，日内瓦附近的地壳每月会有大约10英寸的起伏，这会使LHC的长度每个月涨落1/25英寸。其效应第一次被注意到是在隧道用于LEP的时候，当计算涉及到环周长的修正因子时发现的。

当开始为LHC装配探测器时，地形起到了更重要的作用。在“点1”挖掘了最大的新洞用来安置个头最大的探测器ATLAS（一个环形的LHC仪器）。另外三个探测器称为CMS（小型μ子螺线管）、ALICE（大离子对撞机实验）以及LHCb（大强子对撞机美人）。它们沿着环被安装在附加点上。为每一个探测器所做的设计都花费了许多年的时间。它们的批准认可了它们在整个LHC任务中所起的互补作用，每一个都为测量特定类型的对撞产物提供了特别的方法，因此可以用于不同类型的发现。

ATLAS项目计划了超过10年，它是来自几个涉及到不同国家的研究人员早期项目的融合。早期那些完成了的或是放弃了的对撞机项目中所积累的经验，在塑造探测器设计时起到了强有力的作用。

比如说ATLAS的电磁热量计（能量测量）系统。它是基于威廉·威利斯1972年为短命的ISABELLE对撞机提出的一种方法：利用液氩通过电离过程将辐射转换成可测量的电信号。当ISABELLE下马时，威利斯再次把液氩热量计放到了他和巴里什以及其他人为SSC的GEM探测器所开发的提案中。除了威利斯的基地布鲁克黑文，这项技术也用在了像费米实验室和斯坦福直线加速器中心这样的实验室之中。现在威利斯是ATLAS的美国项目主管，在那里他的液氩方法成为探测器的能量测量系统的主要部分。

如果液氩是流向ATLAS心脏的血液，硅像素和条纹（晶片对光的反应，类似数码相机）就是超灵敏的眼睛。紧围着其相互作用点是一个最大监视地带，称为内部探测器，那里电子眼睛的目光几乎无所不在，就像一个粒子版的大哥（Big Brother），除了粒子束进来和离开的地方，内部探测器布满了微小的光探测器。换句话说，它被密封了起来，高能物理的理想环境就是把几乎所有的地方都覆盖起来。这种间谍相机最大覆盖的状态为重建碰撞时所发生的事情提供了最佳的可能。

为了用对称的方式将粒子束流线包裹起来，ATLAS的大部分及内部探测器以一系列同心圆筒的方式安置，它们叫做筒。在进口和出口设置成垂直于粒子束的圆盘形，称为端帽。这样的几何结构意味着对于粒子束流线来说，几乎所有的立体角都被记录下来。内部探测器的跟踪系统包括光敏点和光敏条，它们都覆盖在筒的三个内层以及端帽上。

在内部探测器和热量计之间是一个（线圈形状的）螺线管超导磁铁，其磁场大约为2特斯拉。低温恒温器（用于超冷却的系统）使得磁铁的温度不高于5开。螺线管磁铁的作用是引导带电粒子以依赖于其动量（质量乘速度）的角度在内部探测器中做曲线运动。这样电跟踪系统与磁铁合作就可以让研究人员测量对撞产物的动量。

当粒子通过了内部探测器之后就进入了电磁热量计的领地。这些电磁相互作用粒子进入铅层之后就会像阵雨般发生衰变，并把它们的热量传入周围的液氩之中，产生出可以探测的信号。灵敏的电子器件收集了所有这些能量损失所发出的信号，这为事件重建提供了另一个重要组成部分。分辨一个粒子的电荷、动量和能量就像是问一个士兵的姓名、军阶和编号。因为这些物理量每一个都是守恒的，确认每个粒子的信息提供了更多的机会，来找出是哪些看不到的粒子（比如中性粒子）可能被错过了。

只有一些非常轻的粒子，如电子、正电子和光子，会被电磁热量计完全过滤掉。重一些（或是不参与电磁相互作用）的粒子会轻松地穿过去，它们会撞进一个散布着闪烁计的厚钢砖层，这就是强子热量计。紧挨着这层的传感器记录了那些受强相互作用力影响的粒子所留下的热量。质子、中子、π介子以及它们的强子军团，在那里站完了最后一班岗。

唯一能躲过这两种类型的热量计、没有被吸收掉的带电粒子是μ子。为了捕获它们，最大的最外层组成了μ子系统。它以某些类似内部探测器的方式运作，利用了磁铁和一个跟踪系统，只是规模要大得多，使得ATLAS的其他部分看上去就是侏儒。在ATLAS完工之后所拍的照片上展示了μ子系统巨大的端帽：大轮子。

μ子系统巨大的超导磁铁有着和中心磁铁不同的形状。它们不是螺线管，而是环形的（面包圈形），但伸了出来。其长度为一个橄榄球场的四分之一，它们是全球最大的超导磁铁。其中八个嵌入到外筒中，像一个八瓣苹果切片机。这些体型巨大的磁铁放大了穿越过去的μ子的偏转程度。几千个传感器记录了μ子的运动路线，它们的偏转程度精确地给出了这些粒子的动量。

有着八个引人注目的环形磁铁的ATLAS探测器照片

通过了所有的探测器系统能存活下来的粒子是那些对电磁相互作用和强相互作用都不敏感的粒子。主要嫌疑分子就是中微子。由于中微子只参与弱相互作用和万有引力，所以它很难被探测到。ATLAS并没有尝试去捕获它们，而是通过排查过程去估算它们的动量和能量。由于质子在对撞之前是沿着粒子束流线方向运动的，因此它们的横向（垂直粒子束方向）总动量一定为零。根据守恒原理，碰撞后的总横向动量（把探测到所有东西的动量加起来）也应该为零。如果不为零，从零中减去这个动量和就得到了看不见的碰撞产物的横向动量。因此，ATLAS对于中微子带走了什么是很清楚的。

在LHC环的中途，法国塞西的山村地下是另一个通用探测器：CMS。CMS名字中的“小型”两字反映了，对用一个体积小得多的探测器来进行和ATLAS相似的物理研究的渴望。尽管如此，它还是比一所房子还要大。CMS并没有用很多个的磁铁，而是围绕着一个巨大的超导螺线管（线圈形的磁铁）建造的，这个磁铁可以产生4特斯拉的磁场，这大约是地球磁场的十万倍。这个磁场包容了探测器的中央硅像素跟踪器和热量计，将带电粒子的路径偏转到它们的探测范围内从而获得其动量的精确值。知道了动量，有利于研究人员重建事件并推导出什么东西可能没被捕获，比如说中微子。

CMS和ATLAS之间的另一个不同点，与它们强迫电磁敏感粒子“冲澡”的方式有关。CMS电磁热量计没有用冰冷的液氩，而是用了大约8 000个钨酸铅晶体（能量敏感物质）来测量粒子雨中电子、正电子和光子的能量。当强子遇到由铜和钢制成的致密帘幕时，μ子会被漂移室层和磁铁外面的铁层捕获。

这两个合作组有很多相同的地方：拥有大量来自全世界不同研究机构的研究人员的团队；雄心勃勃的目标；为了实现他们重要目标所需的强大数据捕获技术。每个合作组都记录了几百万个事件，其数据在经过设计用来清除明显无意义事件的触发系统后，以电子信号的形式发送到全球几百个中心的上千台计算机中，然后用称为Grid的先进系统进行分析。

如果希格斯粒子的能量是在LHC的探查范围之内的话，每个团队都会有很好的机会找到它。如果一个团队找到了它，那么另一个团队的结果将作为重要的验证。毫不夸张地说，做出这项重要通告的研究论文将会包括几千个人名。由于这种分享荣誉的方式，诺贝尔委员会将很难决定将它的奖励颁给个人还是一小群实验家。不像鲁比亚和范德梅尔因为弱玻色子的发现而赢得了科学上的最高荣誉，今后可能不会再如此清晰地知道该将奖励给谁了（除了那些与其同名的理论家）。

关闭前的CMS探测器

在LHC的对撞点上是两个体型巨大的专用探测器：LHCb（大强子对撞机美人）实验和ALICE（大离子对撞机实验）。另外两个小型的探测器会分别在ATLAS和CMS所在坑洞的附近运行，它们分别是LHCf（大强子对撞机前进）和TOTEM（总弹性和衍射截面测量）实验。

LHCb实验的目的是产生B粒子（拥有底夸克的粒子），并观察它们的衰变。B粒子特别重，可能会有非常多的不同衰变产物，这也许会为标准模型之外的新现象提供证据。LHCb的研究人员特别想寻找所谓CP（荷奇偶）破坏的证据。CP破坏是某种弱相互作用中当两次翻转轮流发生时所出现的微小差别，其中一次是电荷的翻转（从正电荷变成负电荷或者从负电荷变成正电荷），另一次是奇偶性的翻转（变为镜像）。一个粒子的电荷翻转之后就变成了其反粒子，它们在进行弱衰变的时候并不总是表现相同。李政道和杨振宁证明了，在弱衰变中奇偶性翻转也同样并不总是得到相同的结果。物理学家们曾经相信当这两个操作合起来时会总是守恒的。然而，1964年美国物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·惠誉证明了在某种K子过程中会微弱地破坏这种对称性。特别是涉及到弱相互作用的B介子衰变也破坏CP对称性，这个过程就是LHCb实验想要研究的。

与ATLAS和CMS不同，LHCb的探测器并没有完全包围住相互作用点，而是由在向前的方向上放置的一排子探测器组成的。其原因是，想要研究的B粒子衰变通常会散布在碰撞点前面的一个锥形空间内。LHCb合作组有来自12个国家的数百名研究人员。

ALICE是涉及铅离子的碰撞实验，而不是质子。LHC每年会花一个月的时间来加速离子以运行这个项目。当铅离子碰撞的时候，关注点在于它们会产生一种称为夸克胶子等离子体的物质态，它是由组成强子的那些成分自由流动组成的混合体，被认为是充满了非常早期宇宙的原生汤的类似物。正常情况下，夸克被禁闭在强子之中，它们两两或三三成群由传递强相互作用的胶子粘合在一起。然而LHC的能量条件等价于太阳核心温度的十万倍，在这样的条件下，物理学家们认为强子的壁垒会被打破，释放出夸克和胶子来。这一过程将会是非常短暂的。用来记录产物的巨大探测器有一个层状的筒，它有18个单元，包括各种不同类型的跟踪系统和热量计。来自超过100所研究机构的1 000多位物理学家在为这个项目作着贡献。

LHCf实验是LHC中最小的一个，它很好地利用了来自ATLAS的残余物。LHCf坐落在ATLAS对撞点前面大约560英尺的粒子束隧道内，它是用来测量当质子撞在一起后所产生的向前运动的粒子的性质。其目标是测试宇宙射线测量仪器的能力。这个实验有着来自6个不同国家的几十个研究人员。

最后，TOTEM是一个连接到LHC束流管上的一个细长的探测器，主要用于质子截面（有效大小）的高精度测量。它的位置距离CMS探测器650英尺远，由放在8个特制的被称为罗马罐的真空室中的硅条组成。它们设计用来跟踪靠近束流线处的质子散射情况。TOTEM有超过80名研究人员，他们与8个不同国家的11所研究机构有关。

为了监控LHC实验的进展，各组成员定期举行会议。特别是对较大的探测器，每个组件都需要校准和小心地监控。小组成员会频繁地通报一个又一个测试结果，以解决任何潜在的问题。

更复杂的探测器上经常出现的一个问题是，其中一个组件是如何影响其他组件的结果的，比如说通过电子器件的噪声。超强磁场的存在使得事情变得更加复杂，因为它们会造成破坏性的影响。例如在2007年11月ATLAS进行测试的时候，环形磁铁中的一个没有放稳，它向着端帽热量计移动了大约一英寸，幸运的是这并没有造成破坏。如果发现那些密封部分里面出了问题，那么在把它解封打开之前就什么事情也干不了。通常情况下，当LHC暂时关闭时，比如快到寒假的时候，解封并打开密封部分的机会就来了。

那些规划和运作加速器的人称为“机器人”，他们有着他们自己的会议。他们主要关注的是整个系统是否运行正常。他们所面对的最棘手的事情是，让双极磁铁、四极磁铁以及其他的磁铁在能量最高时仍能保持最佳的磁场。

如果磁场和能量以极快的速度提升得太高，一种称为淬灭的有害现象就会发生。淬灭是由于内部组件的移动造成超导磁铁过热，从而破坏了超导性。这时候，磁铁导电变为正常模式，其磁场会降低到不可接受的程度。为了防止这种破坏性的情况出现，磁场强度被缓慢地提升，之后又降低，如此一遍一遍重复，这种过程称为训练。这有点像把你的脚放进一个热水桶中，不断地放进去，然后又拿出来，直到你习惯了那个温度为止。

探测器组和机械组很清楚LHC的极限所在。每一个机器都有其结构极限，例如粒子束亮度的上限由磁场的最大聚焦能力决定。因此，研究人员会提前做好升级说明和计划。值得注意的是，在不同合作组中的一些成员在准备当前的实验的时候，另一些成员则提前为几年后对探测器和加速器要做的修改进行开发工作。

在所有这些准备中，研究人员们会将他们的目光放在全局上面。这可能需要花费几年时间才能得到结果，而科学的历史已经跨越了20世纪。希格斯玻色子的确认或者超对称伙伴粒子的发现，会为未来几十年理论物理的发展指明方向。天文学家希望粒子物理中的新发现会帮助他们揭开天文领域中最大的谜团：暗物质和暗能量的来源。这两种物质影响了发光物体，但对于它们的起源和特性，我们却一无所知。