巨獸復活

大型強子對撞機重啟倒計時(shí)

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經(jīng)過(guò)兩年的休整，大型強子對撞機（LHC）將于3月重啟，重啟后的對撞機功率將增加一倍。物理學(xué)家準備通過(guò)新的實(shí)驗，在物理學(xué)的標準模型之外獲得突破…… 

邁克?拉蒙特（Mike Lamont）抓起桌上最后一個(gè)牛角面包，邊吃邊穿過(guò)歐洲核子研究中心（CERN）的控制大廳。

CERN是歐洲的粒子物理學(xué)實(shí)驗室，坐落于瑞士日內瓦郊外。這時(shí)已到了上午十點(diǎn)，控制大廳里擠滿(mǎn)了物理學(xué)家，他們正緊盯著(zhù)房間內的電腦屏幕。拉蒙特是CERN束流部門(mén)的運行主管，他解釋說(shuō)，他們正在進(jìn)行一些測試，以保證電腦出現意外故障時(shí)，不會(huì )對大型強子對撞機（LHC）的電子器件、真空管道和超導磁鐵造成影響。

LHC是世界上最強大的粒子加速器。在LHC的休整期，拉蒙特和同事需要進(jìn)行大量的測試，這只是其中一項。這次大休整開(kāi)始于2013年3月，現在已接近尾聲。目前正在進(jìn)行的工作是，將加速器中27千米長(cháng)的超導體磁鐵環(huán)冷卻，為加速器的重啟做準備。而一旦LHC重新投入運行，兩束質(zhì)子束流會(huì )在圓環(huán)軌道中相向運動(dòng)，拉蒙特和同事就要拼盡全力，讓質(zhì)子束能量逼近其設計能量：每束7萬(wàn)億電子伏特（TeV, 1012eV），這幾乎是LHC此前運行能量的兩倍。每束質(zhì)子束流都滿(mǎn)載著(zhù)相當于一輛飛馳火車(chē)的巨大能量。

重啟之后

假如這些粒子的質(zhì)量不是太大，不超過(guò)LHC的最高設計能量，那么尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標之一，甚至還有可能得到更奇怪的結果，例如發(fā)現3維空間之外的更高空間維度的蛛絲馬跡

拉蒙特非常清楚，一旦出現意外將會(huì )產(chǎn)生怎樣嚴重的后果。他曾經(jīng)歷2008年9月的那次事故：當時(shí)該團隊最后一次嘗試，將這臺耗資50億美元的對撞機的運行能量提高到設計能量，結果卻導致電子設備故障，從而中斷運行達1年多的時(shí)間，最后花費了數千萬(wàn)美元的維修費用才修好。

“自那之后，我們對這臺機器有了更多了解，”拉蒙特說(shuō)道。研究人員設法對其修理，并在2009年末讓它重新運行了起來(lái)。為了避免設備再次“罷工”，研究人員將其運行能量設定為設計值的一半。盡管如此，得到的質(zhì)子束流能量已足夠高，通過(guò)高能質(zhì)子束的碰撞，獲得了大家追尋已久的可以證明希格斯玻色子（Higgs boson）存在的決定性證據。建立已有40年之久的粒子物理標準模型（standard model）是現代物理學(xué)的基本理論之一，希格斯玻色子是該模型中最后一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的預言。

2012年7月，科學(xué)家宣布發(fā)現希格斯玻色子，2013年的諾貝爾物理學(xué)獎就頒給了首次預言這種粒子存在的理論物理學(xué)家。面對所有的歡呼與喝彩，LHC的物理學(xué)家并未滿(mǎn)足于此，他們希望能從再度起航的加速器中獲取更多信息。新發(fā)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(lèi)粒子，還是只是希格斯粒子家族中最輕的成員？如果存在更多的希格斯粒子，它們有些可能就會(huì )在更高能量的碰撞中現身。高能量碰撞還有可能產(chǎn)生一些連標準模型都未能預見(jiàn)的、更為奇異的新粒子。

理論物理學(xué)家對這類(lèi)奇異粒子的預言已經(jīng)持續了數十年。20世紀70年代早期提出的超對稱(chēng)（supersymmetry）理論，是標準模型的擴展理論，該理論認為，每個(gè)粒子都有一個(gè)更重的超對稱(chēng)粒子（sparticle），或稱(chēng)超伴子，而理論上，普通粒子與其超伴子之間存在可以判別的差異。暗物質(zhì)可能是由這些粒子中的一種或幾種構成的。暗物質(zhì)雖然看不到，但其質(zhì)量非常大，可以操控星系運動(dòng)，但標準模型卻對它只字未提。假如這些粒子的質(zhì)量不是太大，不超過(guò)LHC的最高設計能量，那么尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標之一。甚至還有可能得到更奇怪的結果，例如發(fā)現3維空間之外的更高空間維度的蛛絲馬跡。但首先，萊蒙特和他的團隊要讓LHC能夠全力運轉起來(lái)。

冷卻巨型磁鐵

這里與控制室那種平靜的氛圍完全不同，LHC嗡嗡作響，咔嚓聲、嘶鳴聲不斷響起，隧道里充斥著(zhù)金屬、灰塵和熾熱電路的氣味，重型千斤頂將多塊15米長(cháng)、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿(mǎn)了錯綜復雜的線(xiàn)材和管路，這些線(xiàn)材和管路包裹著(zhù)密封的束流管道從磁鐵中心穿過(guò)

從控制中心開(kāi)車(chē)出發(fā)，行駛不久，萊蒙特就到達了目的地。他帶上頭盔，穿上包裹著(zhù)金屬的靴子，背上應急呼吸設備，走進(jìn)了一部能夠直達地下100米深處的電梯。電梯出口正對一條維護通道，從那再走一小段路程，就能到達LHC的隧道。

萊蒙特說(shuō)，即使已經(jīng)在CERN待了25個(gè)年頭，對這臺儀器的威力和復雜性，他仍然懷有敬畏。這里與控制室那種平靜的氛圍完全不同，LHC嗡嗡作響，咔嚓聲、嘶鳴聲不斷響起，隧道里充斥著(zhù)金屬、灰塵和熾熱電路的氣味。重型千斤頂將多塊15米長(cháng)、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿(mǎn)了錯綜復雜的線(xiàn)材和管路，這些線(xiàn)材和管路包裹著(zhù)密封的束流管道從磁鐵中心穿過(guò)。為了避免再次短路，研究人員為L(cháng)HC裝備了各種傳感器和數千千米的電纜，哪怕是最微弱的電壓起伏，都能被偵測到。更關(guān)鍵的是，連接這些磁鐵的10000個(gè)超導連接器都已經(jīng)得到了加強或替換，光這一項任務(wù)，250多位工作人員用了一年多時(shí)間才完成。

2014年6月起，萊蒙特團隊開(kāi)始冷卻磁鐵，他們要將磁鐵冷卻至最終的運行溫度：1.9K。在這個(gè)溫度下，用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的載流電纜會(huì )進(jìn)入超導狀態(tài)。為了讓整個(gè)降溫過(guò)程可控，LHC的加速環(huán)被劃分成8個(gè)部分，每部分都可以單獨冷卻，而每部分需要花費兩個(gè)月時(shí)間。一旦所有磁鐵都冷卻下來(lái)，就可以進(jìn)行電氣測試，確保磁鐵在高能量狀態(tài)下正常運行。萊蒙特清楚，事情不可能一帆風(fēng)順。有一批磁鐵在地面上測試時(shí)表現得十分完美，但由于某種原因，當其產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當于產(chǎn)生6.5TeV的束流時(shí)，這些磁鐵就失去了超導性。這算不上災難，修復這樣的磁鐵只需讓它們循環(huán)多運行幾次，直到穩定下來(lái)進(jìn)入正常狀態(tài)。但這需要時(shí)間，萊蒙特說(shuō)道，“更何況有幾百個(gè)這樣令人討厭的家伙”。

無(wú)論如何，質(zhì)子束都將被再次注入LHC，這將是一起劃時(shí)代的事件，目前研究人員將這一時(shí)間設定在2015年3月。在那之后，再經(jīng)過(guò)幾周測試，物理學(xué)家會(huì )開(kāi)始操控束流進(jìn)行碰撞，然后確認探測器是否安全，之后就可以開(kāi)始搜集數據了。

隧道里飄浮著(zhù)一種淡淡的燒焦的氣味。萊蒙特解釋說(shuō)，這是在加熱真空管道，從而驅散其中的分子。他走過(guò)幾塊磁鐵，來(lái)到一面巨大的銅鋼金屬墻面前，裸露的束流管在這里穿墻而過(guò)。墻的另一邊就是ATLAS，LHC四臺主要粒子探測器之一。很快，一束束高能質(zhì)子就會(huì )從這里呼嘯而過(guò)，飛向ATLAS，它們將在那里猛烈撞擊，并向其他方向偏折，碰撞殘骸也會(huì )通探測器向外噴射。

升級探測器

LHC下一次運行時(shí)，不僅束流能量會(huì )提高，其中攜帶的質(zhì)子數目也將增加。最終，在CMS中每秒將發(fā)生10億到20億次碰撞，也就是說(shuō)，當上一次碰撞產(chǎn)生的微粒還在奔向探測器的途中時(shí)，身后已經(jīng)又發(fā)生了50次新的碰撞

在LHC環(huán)形軌道的另一側、離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(zhù)12500噸的緊湊子線(xiàn)圈（Compact Muon Solenoid，CMS），30年前設計它的那些物理學(xué)家，其膽魄令坎波雷西驚嘆不已。

“他們一定是群瘋子，”坎波雷西說(shuō)道。CMS是一個(gè)巨大的圓柱，里面有大量的粒子硅探測器、超導磁鐵和約束磁場(chǎng)用的厚重鋼鐵。很多人宣稱(chēng)這臺裝置太過(guò)復雜，根本無(wú)法運行，但它不但運行了起來(lái)，“而且遠超我們的預期，”坎波雷西說(shuō)道。正是CMS和ATLAS在2012年確認了希格斯玻色子的存在。

2014年初，坎波雷西被選為CMS的發(fā)言人，代表在使用該探測器進(jìn)行合作研究的3800位科學(xué)家。眼下，他正在為L(cháng)HC的重新運行做協(xié)調工作。像LHC所有主要探測器（包括位于其他位置的更為復雜的ALICE和LHCb探測器）的實(shí)驗團隊一樣，他的團隊已經(jīng)在中斷期內對CMS進(jìn)行了一些必要的維修和升級。他們得到了幸運女神的眷顧：在CMS探測器的中心區域，也就是束流交匯以及新粒子從碰撞點(diǎn)噴涌而出的位置，敏感的硅示蹤器沒(méi)有受到輻射損傷，可以繼續使用。但是，CMS的物理學(xué)家還是換掉了一些失效的光電倍增管，它們會(huì )產(chǎn)生虛假信號，顯示產(chǎn)生了一個(gè)新的奇異粒子，但事實(shí)上，這個(gè)粒子并不存在。

坎波雷西尤其對在CMS末端新增的四個(gè)碟形腔感到自豪，它們能夠增強CMS對μ子（muon）的探測能力。這項升級最終能提升探測器的“觸發(fā)器”水平，也就是一連串電子設備及軟件，它們可以引導碰撞后產(chǎn)生的粒子噴流通過(guò)探測器，并在粒子噴流中搜尋特定模式，然后判斷其中是否有值得進(jìn)一步研究的東西。但LHC下一次運行時(shí)，不僅束流能量會(huì )提高，其中攜帶的質(zhì)子數目也將增加。最終，在CMS中每秒將發(fā)生10億到20億次碰撞。也就是說(shuō)，當上一次碰撞產(chǎn)生的微粒還在奔向探測器的途中時(shí)，身后已經(jīng)又發(fā)生了50次新的碰撞。觸發(fā)器需要對這么多事件進(jìn)行分析和判斷，哪些信息值得存儲下來(lái)，以備后續研究。研究人員的目標是，將觸發(fā)器記錄信息的頻率降低到每秒幾百次，“這項工作現在占用了我們大量時(shí)間，”坎波雷西解釋道。

浩如星海的數據

重啟后，幾乎每秒將產(chǎn)生1GB的數據，并且數據暴漲不會(huì )就此止步，計劃中的對LHC的各項升級工作，將會(huì )使LHC產(chǎn)生的數據量繼續增長(cháng)，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB，但“我們現在還無(wú)法處理這么多數據”

重新休整的LHC一旦開(kāi)始運行，CMS和其他探測器上獲得的原初電子信號，將直接匯集到CERN大本營(yíng)，然后通過(guò)光纖傳遞到計算機中心。那是一間密不透風(fēng)、沒(méi)有窗戶(hù)的房間，布滿(mǎn)了密密麻麻的機架，那里一共裝配有約10萬(wàn)臺處理器，散熱風(fēng)扇呼呼作響，控制著(zhù)房間溫度。

這些處理器將用算法分析匯集而來(lái)的數據，判斷每個(gè)從碰撞中噴射出來(lái)的粒子的特性、能量和其去向。分析結果將存儲在磁帶上，比起數字存儲方式，這種老式的存儲介質(zhì)更便宜、儲存時(shí)間更久。

但是，只是將信息存儲起來(lái)，已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足研究人員對實(shí)驗結果近乎“貪婪”的胃口了。今天的粒子物理學(xué)家將大部分時(shí)間用在了編寫(xiě)計算機代碼上，他們編寫(xiě)了成千上萬(wàn)行代碼，用于在數百萬(wàn)個(gè)事件中搜尋不同尋常的信號。為了將數據傳遞至這些研究人員手中，CERN搭建起了一個(gè)全球計算網(wǎng)格（Worldwide Computing Grid），計算機中心將數據備份下發(fā)到分布在全球的13個(gè)“1級”電腦中心，然后再由1級節點(diǎn)下發(fā)至150個(gè)規模小一些的2級節點(diǎn)，大部分2級節點(diǎn)都設在大學(xué)中。

幸運的是，對終端用戶(hù)而言，他們無(wú)需為這些細節操心，只要將程序上傳到網(wǎng)格上，指定要檢查哪些碰撞事件即可。網(wǎng)格軟件會(huì )自動(dòng)將任務(wù)分配給有足夠計算能力和存儲空間的中心，計算結束后再將結果返回。我們到訪(fǎng)的這天，在CERN的電腦中心，實(shí)時(shí)大屏幕上就顯示，單在CERN就有10500個(gè)程序正在運行，CERN僅占網(wǎng)格資源的6%而已。作為英國網(wǎng)格協(xié)調員，劍橋大學(xué)的物理學(xué)家杰里米?科爾斯（Jeremy Coles）說(shuō)，要沒(méi)有網(wǎng)格，他的同事可能還在如大海撈針般尋找希格斯玻色子。

在科爾斯看來(lái)，未來(lái)的挑戰是，如何處理即將到來(lái)的浩如星海的數據。在LHC的第一次運行期間，盡管探測器的觸發(fā)器已經(jīng)過(guò)濾掉了大部分數據，但數據還是以每年15PB（petabyte，1PB=1024?1024GB）的速度累積，這比每年上傳到YouTube上的視頻總量還要多。而當LHC在2015年重啟時(shí)，加倍的碰撞率將每年產(chǎn)生大約30PB的數據，幾乎相當于每秒產(chǎn)生1GB的數據。

全球計算網(wǎng)格是否有能力應對數據的激增，科爾斯對此抱有信心。這不僅是因為技術(shù)上的進(jìn)步讓各計算中心之間的集成度更高，而且“在過(guò)去的10年，網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度已經(jīng)大大提升，”他補充道。比如在2013年，在受到現有空間和能耗限制之下，他們通過(guò)兩根傳輸速率高達每秒100G的光纖，將位于布達佩斯的設備連接進(jìn)來(lái)，擴充了CERN數據中心的處理能力?？茽査拐f(shuō)，從運行上看，布達佩斯的設備和放置在隔壁的設備沒(méi)什么區別。

但數據暴漲不會(huì )就此止步，計劃中的對LHC的各項升級工作，將會(huì )使LHC產(chǎn)生的數據量繼續增長(cháng)，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB?！拔覀儸F在還無(wú)法處理這么多數據，”科爾斯感嘆道。更糟糕的是，計算機芯片的運行速度正在進(jìn)入平臺期，目前最好的商用芯片通常會(huì )使用2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)處理器來(lái)提高運行能力，未來(lái)的芯片可能會(huì )有更多處理器，但LHC上的代碼只能在單處理器上運行。要讓代碼在這么多處理器上并行運行，要將約150萬(wàn)行代碼重新編寫(xiě)，這需要數千人花費數年時(shí)間才能完成。

在20世紀80年代末，當CERN的物理學(xué)家需要一個(gè)更好的方式來(lái)分享數據時(shí)，他們發(fā)明了互聯(lián)網(wǎng)（WWW），而在上世紀90年代，當他們需要一種更好的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)計算機存儲資源時(shí)，又發(fā)明了世界上最大的計算機網(wǎng)格。因此對于上述問(wèn)題，LHC的科學(xué)家似乎也應有信心解決。

在談及“下一代大型加速器”時(shí)，萊蒙特看上去也有著(zhù)同樣的信心。盡管CERN才剛慶祝完60周歲生日，而LHC也還有20年時(shí)間來(lái)進(jìn)行質(zhì)子碰撞，但實(shí)驗室已經(jīng)開(kāi)始探索建設80?100千米左右的加速器的可行性了，那將會(huì )進(jìn)一步深入探索物質(zhì)的結構。萊蒙特同時(shí)也指出，LHC雖然在2008年才開(kāi)始第一次運行，但實(shí)際上，早在1984年，研究人員就開(kāi)始規劃了，因此，“我們現在必須開(kāi)始考慮下一代加速器的事情了”。