巨獸（shòu）複活

大型強子對撞機重啟倒計時

CFP供（gòng）圖

資料圖（tú）片

經過兩年的休（xiū）整，大型強子對撞機（LHC）將於3月重啟，重啟後的對撞機功率將增加一（yī）倍。物（wù）理學家準備通過新的實驗，在物理學的標準模型之外獲得突破…… 

邁克（kè）?拉蒙特（Mike Lamont）抓起桌上最後一個牛（niú）角麵包，邊吃邊（biān）穿過歐洲核子研究中心（CERN）的控製大廳。

CERN是歐洲的粒子物理（lǐ）學（xué）實驗室，坐落於瑞士日內瓦郊外。這時已到了上午十點，控製大廳裏（lǐ）擠滿了物理學家，他們正緊盯著房間內的電腦屏幕。拉蒙特是CERN束流部門的運（yùn）行主管，他解釋說，他（tā）們正在進行（háng）一些測試，以保證電腦出現意外故（gù）障時（shí），不會對大型強子對撞機（jī）（LHC）的電子器件、真空（kōng）管（guǎn）道和（hé）超導磁鐵造成影響（xiǎng）。

LHC是世界上最（zuì）強大的粒子加速（sù）器。在LHC的休整期，拉蒙特和同（tóng）事需要進行大量的測試，這隻是（shì）其中一項。這次大休整開始於2013年（nián）3月，現在已接近（jìn）尾聲。目前正在進行（háng）的工作是，將加速器中27千米（mǐ）長的超導體磁鐵環冷卻，為加速器（qì）的（de）重（chóng）啟做（zuò）準備。而一旦LHC重新投入運行，兩（liǎng）束質子束流會（huì）在圓環軌道中相向運動，拉蒙特和同（tóng）事就要拚盡全力，讓質子束能量逼近其設（shè）計能量：每束7萬億電子伏（fú）特（TeV, 1012eV），這（zhè）幾乎是LHC此前運行能量的兩倍。每束質子束（shù）流（liú）都滿載著相當於一（yī）輛飛馳火車的巨大能量（liàng）。

重啟之後

假如這些粒子的質量不是太大，不超過LHC的最高設計能量，那麽（me）尋找（zhǎo）這些粒子就是加速器重啟後的主要目標之一，甚（shèn）至還有可能得（dé）到更奇怪的結果，例如發現3維空間之外的更高空間維度（dù）的蛛絲馬跡

拉蒙特非常清楚，一旦出現意外將會產生怎樣嚴重的後果。他曾經（jīng）曆2008年9月的那次事故：當（dāng）時該團隊最後一次嚐試，將（jiāng）這台耗資50億（yì）美元的對撞機的運行能量提高到設計能量，結果卻導致電子（zǐ）設備故障，從而中斷運行達1年多的時間，最後花費（fèi）了（le）數（shù）千萬美元的維修費用才（cái）修好。

“自那（nà）之後，我們（men）對這台機器有了更多了解，”拉蒙特說道。研究人員設法對其修理，並在2009年末讓它重新運（yùn）行了起來。為了避免設備再次“罷工”，研究人員（yuán）將其運行（háng）能（néng）量設定為設計值的一半。盡管如此，得到的質子束（shù）流能量已足夠高，通過高能質子束的碰撞，獲得了大家（jiā）追尋已久的可以證明希格（gé）斯玻色子（Higgs boson）存在的（de）決定性（xìng）證據。建立已有40年之久（jiǔ）的（de）粒子物理標準模型（standard model）是現代物理學的基本理論之（zhī）一，希格斯（sī）玻色子是該（gāi）模型中最後一個未經證實的預言。

2012年7月，科學家宣布（bù）發（fā）現希格斯玻色子，2013年（nián）的諾貝爾物理學獎就頒給了首次預言這種粒子存在的理論（lùn）物理學家。麵對（duì）所有的歡呼（hū）與喝彩，LHC的物理學家並（bìng）未滿足於此，他（tā）們（men）希望能從再度起航（háng）的加速器中獲取更多信息。新發現的希格斯粒子是否如標準模型預言的那樣，是唯一的該類粒子，還是隻是希格斯粒子家族中最輕的成（chéng）員？如果存在更多的希格斯粒子，它們有些可能就會在更（gèng）高能量的碰撞中現身。高能量碰撞還有可能產生一些連標準模型都未能（néng）預見的（de）、更為奇異的新粒子。

理論物理學（xué）家對這類奇異粒子的預言已經持續了數十年。20世（shì）紀70年代早期提（tí）出的（de）超對稱（supersymmetry）理論，是標準模型的（de）擴展理論，該理（lǐ）論認為，每個粒子都有一個更重的超對稱粒子（sparticle），或稱超伴子，而理論上，普通粒子與其超伴子之間存在可（kě）以判別的差異。暗物質可能是由這些粒子中的一種或幾種構成的。暗物質雖然看不到，但其質量非常（cháng）大，可以操控星係運動，但標準模（mó）型卻對它（tā）隻字（zì）未提。假如這些粒子的質量不是太（tài）大，不（bú）超過（guò）LHC的最高設計（jì）能量，那麽尋找這些粒子就是加速器（qì）重啟後的主要目標之一。甚至還有可能得（dé）到更奇怪（guài）的結果，例如發現3維空間之外的更高空間維度的蛛絲馬跡。但首先，萊（lái）蒙特和他的團隊要讓LHC能夠（gòu）全（quán）力運（yùn）轉起來。

冷卻巨型磁鐵（tiě）

這（zhè）裏與控製室那種（zhǒng）平靜的氛圍完全不同，LHC嗡嗡（wēng）作響，哢嚓聲、嘶鳴聲（shēng）不斷響起，隧道裏充斥（chì）著金屬、灰塵和（hé）熾熱電路的（de）氣味，重型千斤（jīn）頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地麵上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜複雜的（de）線材和管路（lù），這些線材和管（guǎn）路包裹著密（mì）封的束（shù）流管道從磁鐵中心（xīn）穿過

從控製（zhì）中（zhōng）心（xīn）開車出發，行駛不久，萊（lái）蒙特就到達了目的地。他帶上頭盔，穿上包裹著（zhe）金屬的靴子（zǐ），背上應急（jí）呼（hū）吸（xī）設備，走進（jìn）了一部能夠直達地下100米深處的電梯。電梯（tī）出口（kǒu）正對一條維護通道，從那再（zài）走一小段路（lù）程，就能（néng）到達LHC的隧道。

萊蒙特說，即使已經在CERN待了25個（gè）年頭，對這台儀器（qì）的威力和複雜性，他仍然懷有敬畏。這裏與控製室那（nà）種平靜的氛圍完全不（bú）同（tóng），LHC嗡嗡作（zuò）響，哢嚓聲、嘶鳴聲不斷響起，隧道（dào）裏充斥著金屬、灰塵和熾熱電路（lù）的氣味。重型千斤頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地（dì）麵上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜複雜（zá）的線材和管路，這些線材和管路（lù）包裹（guǒ）著密封的束流管道從磁鐵中心穿過。為了避（bì）免再次（cì）短路，研究人（rén）員為LHC裝備了各種傳感器和數千千米的電纜，哪怕是最微（wēi）弱的電壓起伏，都能（néng）被偵測到。更關鍵的是，連接這些磁鐵的10000個超導（dǎo）連接器都已經得到了加強或替換，光這一項任務，250多位工作人員用了一年多時間才完成（chéng）。

2014年6月起，萊蒙（méng）特（tè）團隊開始冷卻磁鐵，他們要將磁鐵冷（lěng）卻至最（zuì）終的運行溫度：1.9K。在這個溫度下，用以產生磁場的載（zǎi）流（liú）電纜會進入超導狀態。為了讓整個降溫過程可控，LHC的加速環被劃分（fèn）成8個部分（fèn），每部分都可以單獨冷卻，而每部分需要花費兩（liǎng）個月時間。一旦（dàn）所有磁鐵（tiě）都冷（lěng）卻下來，就可（kě）以進（jìn）行電（diàn）氣（qì）測（cè）試，確保磁鐵在（zài）高能量狀態下正常運行。萊蒙（méng）特清（qīng）楚，事情不可（kě）能一帆風順（shùn）。有一批（pī）磁鐵在地麵上測試時表現得十分完美，但由於某種原因，當其產生的磁場相當於產（chǎn）生6.5TeV的（de）束流時，這些磁鐵就失去了（le）超導性。這算不上災難，修複這樣的磁鐵隻（zhī）需（xū）讓它們循環多運行幾次，直到（dào）穩定下來進（jìn）入正常狀態。但這需要時間，萊蒙特說道，“更何況有幾百（bǎi）個（gè）這樣令人討厭的（de）家夥”。

無論如（rú）何，質子束都將被再次注入LHC，這（zhè）將是一起劃時代的事件，目前研究人員將這一時間設定在2015年3月。在那之（zhī）後，再經過幾周測試，物理學家會開始操（cāo）控束流進行（háng）碰撞，然後確認探測器是否安全，之後就可以開始搜集數據了。

隧道裏飄浮著一種（zhǒng）淡（dàn）淡的燒（shāo）焦的氣味。萊（lái）蒙特解釋說（shuō），這是在加熱真空管道，從而（ér）驅散其（qí）中的分子。他走過幾塊磁鐵，來到一麵巨大的銅鋼金屬（shǔ）牆麵前，裸露的束流（liú）管（guǎn）在這裏穿牆而過。牆的另一邊就是ATLAS，LHC四台（tái）主要粒子探測器之一（yī）。很快，一束束高能質子（zǐ）就會從這裏呼嘯而過，飛向ATLAS，它們將在那裏猛烈撞擊，並（bìng）向其他（tā）方向偏折，碰撞殘骸也會通探測器向外噴射。

升級探測器

LHC下一次運行時，不（bú）僅（jǐn）束（shù）流能量會提高，其中攜（xié）帶的質子數目也將增加。最終，在（zài）CMS中每秒將發生10億（yì）到20億次碰撞，也就是說（shuō），當上一次碰撞（zhuàng）產生的微粒還在奔向探測器的途中時，身後已經又發生了50次新的碰撞

在LHC環形軌道（dào）的另一側（cè）、離（lí）ATLAS大約8.5千米的地方，蒂齊亞諾?坎波雷西（Tiziano Camporesi）抬頭凝視著12500噸的緊湊（còu）子線圈（Compact Muon Solenoid，CMS），30年前設計它的那（nà）些物理學家，其膽魄令坎（kǎn）波雷西驚歎不已。

“他們一定是群瘋（fēng）子，”坎波雷西說道。CMS是一個巨大的圓柱，裏麵有大量的粒子（zǐ）矽探測器、超導磁鐵和約束磁場用的厚重鋼鐵。很多人宣稱這台裝置太過複雜，根本無法運行，但它不但運行了起來，“而且遠超我們的預期，”坎波雷西說道。正是CMS和（hé）ATLAS在2012年確認了希格（gé）斯玻（bō）色子的存（cún）在。

2014年初，坎波雷西被（bèi）選為CMS的發言人，代表在使用該探測器進行合作研究的（de）3800位科學家。眼下，他正在為LHC的重（chóng）新運行做協（xié）調工作。像（xiàng）LHC所有主要探測器（包括位於其他位置的更為複雜的ALICE和LHCb探測器）的實驗（yàn）團隊一樣，他的團隊已經在中斷期內對CMS進行了一些必要的維修和升級。他們得到了（le）幸運（yùn）女神的眷顧：在CMS探（tàn）測器的中心區域，也就是束流交匯以及新粒子從碰撞點噴湧而出的位置，敏感的矽示（shì）蹤器沒（méi）有受到輻射損傷，可以繼續（xù）使用。但是（shì），CMS的物理學家還是換（huàn）掉了一些失效的光電倍增管，它們會產生虛假信號，顯示產生了一個新的奇異粒子（zǐ），但事實上，這個粒子並（bìng）不存（cún）在。

坎波（bō）雷西尤其對在CMS末端新增的（de）四個碟形腔感到自豪，它們能夠增強CMS對μ子（muon）的探測能力。這項升級最（zuì）終能提升探測器的（de）“觸發器（qì）”水平，也就是一連串電子設備及軟件（jiàn），它們可以引（yǐn）導碰撞（zhuàng）後產生的粒子噴流通過探測器（qì），並在粒子噴流中搜尋（xún）特定模式，然後判斷其中是否有值得進一（yī）步研究的東西。但LHC下一次運行時，不僅束流能量會提高，其中攜（xié）帶的質子數目也將增加。最終，在CMS中每秒將發生10億到20億次碰撞。也就是說，當上一次碰撞產生（shēng）的微粒還在奔向探測器的途中時，身後已經又發生了50次新的碰撞。觸發器需（xū）要對這麽多（duō）事件進行分析和判斷，哪些信息值得存儲下來，以備（bèi）後續研究。研究人員的目標是，將觸發器記錄信息的頻率降低到每秒幾百次，“這項工作現在占（zhàn）用了我們大量時間（jiān），”坎波雷（léi）西解釋道。

浩（hào）如星海的數據

重啟後，幾乎每秒將產生1GB的數據，並且數據暴漲不會（huì）就此止步，計（jì）劃中的對LHC的各項升級工（gōng）作，將會使LHC產生的數據量繼（jì）續增長（zhǎng），2020年（nián）初（chū）將達到每年110PB，最（zuì）終將到達每（měi）年400PB，但“我們現在還無法處理這麽多數據”

重（chóng）新休整的LHC一（yī）旦開始運行，CMS和（hé）其他探測器上獲得的原（yuán）初電子信號，將（jiāng）直（zhí）接匯集到CERN大本營，然後通過光纖傳遞到計算機中（zhōng）心。那是一間密不透風、沒有窗戶的房間，布滿了密密麻麻的機架，那裏一共裝配有約10萬台（tái）處理器，散熱（rè）風扇呼呼作響，控製著房間溫度。

這些處理（lǐ）器將用（yòng）算法分析（xī）匯集而來的數據，判斷每個從碰撞中噴（pēn）射出來的（de）粒（lì）子的特（tè）性、能量和其去（qù）向。分析結果將（jiāng）存儲（chǔ）在（zài）磁帶上，比起數字存（cún）儲方式，這種老式（shì）的存（cún）儲介質更便宜、儲存時間更久。

但是，隻是將信息存儲起（qǐ）來，已經遠遠不能滿足研究人員對實驗結果近（jìn）乎“貪婪”的胃口了。今天的粒（lì）子物理學家將大部分時間用在了（le）編（biān）寫計算機代碼上，他們（men）編寫了成千上萬行代碼，用於在數百萬個（gè）事件中搜（sōu）尋不（bú）同尋常（cháng）的信號。為了將數（shù）據（jù）傳遞至（zhì）這（zhè）些研究人員手中，CERN搭建起了一個全球計算網格（Worldwide Computing Grid），計算機（jī）中心將數據（jù）備（bèi）份下發到分布在（zài）全球的13個“1級”電腦中心，然後再（zài）由1級節點下發至150個規模小一些的（de）2級節（jiē）點，大部分2級（jí）節點（diǎn）都設在大學中。

幸運的（de）是，對終（zhōng）端用戶（hù）而言，他們無需為這些細節操心（xīn），隻要將程序上傳到網格上，指定要檢查哪些碰撞事件即可。網格軟件會自動將任務（wù）分配（pèi）給有足（zú）夠計算能力和存儲（chǔ）空間的中心，計算結束後再將結果返回。我們到（dào）訪（fǎng）的（de）這天，在CERN的電腦中心，實時大（dà）屏幕上（shàng）就顯示，單在CERN就有10500個（gè）程序正在運行，CERN僅占網格資源的6%而已。作為（wéi）英國網格協調員，劍橋大學的物理學家傑裏米?科爾斯（Jeremy Coles）說，要沒有網格，他的同事可能還（hái）在如大海（hǎi）撈針般尋找希格斯玻色子。

在（zài）科爾斯看來，未來的挑戰是，如（rú）何處理即將到來的（de）浩如星海（hǎi）的數據。在LHC的第（dì）一次運行期間，盡管探測器的觸發器已經過濾掉了（le）大部分數據，但數據還是以每年15PB（petabyte，1PB=1024?1024GB）的速度累積，這比每（měi）年上傳到YouTube上的視頻總量（liàng）還要多。而當LHC在（zài）2015年重啟時，加（jiā）倍的碰撞率將每年產生大約30PB的數據，幾乎（hū）相當於每（měi）秒產生1GB的數（shù）據（jù）。

全球計算網格是否有能力應對數據的激（jī）增，科爾斯（sī）對此抱有信（xìn）心。這不僅是因為技術上的進步讓（ràng）各（gè）計算中心之間的集成度更高，而且“在過去的10年，網絡的傳輸速度已經大大提（tí）升，”他補充道。比如在（zài）2013年，在受到現有空間和能耗限製之下，他們（men）通過兩根傳輸速率高達每秒100G的光纖，將位於布達佩斯的設備連接進來，擴充了CERN數（shù）據中心的處理能（néng）力。科爾斯說（shuō），從運行上看，布達佩（pèi）斯的設備（bèi）和放置在隔壁的設備沒什麽區別。

但數據暴漲不會就（jiù）此止步，計（jì）劃（huá）中的對（duì）LHC的各項升（shēng）級工作，將會使LHC產（chǎn）生的數據量繼（jì）續增長，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB。“我們現在還無法處理這麽多數據，”科（kē）爾斯感歎道。更糟糕（gāo）的是，計算機芯片的運行速度正在進（jìn）入平台期，目前最好的商用芯片通常會使用2個、4個或8個處理器來提高運（yùn）行能力，未來的芯片可能會有更多處理器（qì），但LHC上的代碼隻（zhī）能在單處理器上運（yùn）行。要讓（ràng）代碼在這麽多處理器上並行運行，要將約150萬行代碼（mǎ）重（chóng）新編寫，這需要數千人花費數年時間才能完（wán）成（chéng）。

在（zài）20世紀（jì）80年代末，當CERN的物理學家需要一個更好的方式來分享數（shù）據（jù）時，他們發明了互聯網（WWW），而在上世紀90年代，當他們（men）需要一種更好的方式來（lái）訪問計（jì）算機存儲（chǔ）資源時，又發明了世界上最大（dà）的計算機網格。因此對於上述問題，LHC的科學家似乎也應有信心解決。

在談及“下一代大型加速器”時，萊蒙（méng）特看上去也有著同（tóng）樣的信心。盡管CERN才剛慶（qìng）祝完60周歲生日，而LHC也還有20年時間（jiān）來進行質子碰撞（zhuàng），但實驗室已經開始（shǐ）探索建設80?100千米（mǐ）左右的加速器的可行性了，那將會進一步深（shēn）入（rù）探索物質的（de）結構。萊蒙特同時也指（zhǐ）出，LHC雖然在2008年才開（kāi）始第一次運行，但實際（jì）上，早在1984年，研究人員就開（kāi）始（shǐ）規劃了，因此，“我們現在（zài）必須開始考慮下一代加速器的事情了”。