据欧洲核子研究中心（以下简称CERN）官方网站公布，2008年9月10日，目前世界上最大的加速器——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，以下简称LHC）将首次注入一束高能质子，进入正式试验阶段。英国物理学家斯蒂芬·霍金，在LHC破土之初就对其期望厚重。他在2002年8月一次旅华讲演结束时说：“但愿LHC能发现微小黑洞，我将因此获得诺贝尔奖。”而美国物理学家弗兰克·维尔泽克则对LHC做出这样的展望：“它将开启物理学的黄金时代。”维尔泽克在研究“夸克”方面表现突出，并因此获得2004诺贝尔物理学奖。“夸克”是目前人类能够证明的自然界最小的粒子。

 

从2008年5月起，有关LHC的启动日期就一推再推。直到2008年8月25日，LHC才完成最终的调试工作。调试的主要内容是将一束质子由加速器注入到对撞机环形质子束管，并让它们沿逆时针方向在管内运行大约3公里。这个实验为9月份的质子对撞实验铺平了道路。9月份的正式质子对撞实验是由正反两个方向注入接近光速的高能质子束，并强迫这两束质子在预定点碰撞。在这些预定点上，科学家们希望能够窥见那些迄今不为人知的冥冥之中的宇宙奥秘。

 

LHC地处瑞士日内瓦近郊的地下100米处，邻近法国边境，隶属欧洲核子研究中心。它周长约27公里，圈地面积约有450个“鸟巢”那么大。这是人类目前能将粒子加速到最高能量状态的环形加速器，可以将质子加速到99.9999991%光速。格雷厄姆·P·柯林斯（Graham P. Collins）在年初的《科学美国人》杂志上对它有如下评价：“你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。”

 

在LHC建成之前，世界上最大的粒子对撞实验室是美国的费米国家实验室，曾经因其第一次直接观测到T中微子而震惊物理学界。费米实验室1983年建成，耗资1.2亿美元，可以实现粒子在约1.98TEV能量下进行碰撞。而LHC远远超过了它，可以使粒子在约7TEV的能量下碰撞。

 

据中科院高能物理研究所研究员李海波介绍，除了能量外，分析加速器的实验等级，还要看实验室的“亮度”（科学家每次试验能够收集到的数据数量，直观上好比人能看清某个东西的清晰度，所以叫“亮度”），具体表现就是实验室能容忍的最高密度的质子束的数量。在这方面，LHC差不多是费米实验室的100倍，换句话说，一个LHC，就相当于放大了700倍的费米试验室。也许正因为等级悬殊，美国政府可能会在LHC正式启动后关闭曾经显赫一时的费米试验室。据李海波介绍，他的美国同行都表示很惋惜：“如果当初美国建设的SSC（超级超导对撞机）不是因为（对伊拉克）战争造成资金困难而难产，当今世界的高能物理学研究中心也不会由美国向欧洲迁移了。”

 

 

在整个环形加速器上，布满了约7000块磁铁，其中有少部分磁铁由中科院高能物理研究所生产并提供。据称这是中国对LHC项目的全部财力投入。相对于LHC耗资数十亿美元的经费来说，实属九牛一毛。

 

“日本比我们国家的投入要多得多了，这也是没有办法的事情，这受我们国家的财力限制，我们这些科研工作者只能感到惋惜。”李海波说。

 

这些磁铁将用液态氮气冷却到约1.9K的温度，也就相当于零下245摄氏度，这温度比远离太阳的木星还要寒冷，已经接近绝对零度，而绝对零度是人类迄今无法实现的状态。在这种温度状态下，磁铁上的线圈达到超导状态，电阻基本降低到零。这样一方面节省电能，另一方面可以给环形加速器提供持续稳定的磁场。这样的磁场可以使得质子获得其普通状态下的7000倍能量，用格雷厄姆·P·柯林斯的比喻说：“整个加速器满负荷运转时，所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲开2000升咖啡。”

 

所有质子分属将近3000个束团（准确数字是2853束），每个束团约由1000亿个质子组成。然而，每个束团非常纤细，仅16微米，长度数厘米，像一根短小的蚕丝。如果要保证实验足够的“亮度”，科学家必须想方设法让这么纤细的小蚕丝沿着顺逆时针两个方向准确运行，并在4个对撞点上准确地让一根与另一根相撞，并且是依次相撞，并非齐头并进。

 

CERN的研究人员确信，他们能够保证每秒钟发生至少6亿次粒子对撞。每次碰撞被称为一个事例（event）。4个对撞点上安装了4个巨型探测器。据说其中最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。

 

这些巨型探测器的安装精度要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。它们将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。质子是很小，但相对于另一个质子来说，却非常大。就相当于在宇宙中渺小的人类相对于另一个人来说，并不渺小。人与人之间的碰撞大多是拳头对拳头，脑袋对脑袋的碰撞，也就是说是身体部位的碰撞。所以，这些质子的碰撞也应当是质子的“部位”——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。

 

夸克和胶子是人类目前能够证明的最小粒子，那么这些最小的粒子能撞出什么更小的新粒子或者某种尚未发现的微观物理状态，并让人类对微观世界的偷窥更进一层呢？科学家希望在其中发现希格斯波色子、超对称粒子、暗物质粒子、微小黑洞……

 

 

LHC在预设亮度下运行时，每个质子束团中的1000亿个质子，将只有20个与另一个质子束团的20个碰撞并产生20个事例。由于这些“小蚕丝”是依次排队碰撞，所以每二个碰撞都有间隔，但间隔仅25纳秒，所以前一事件向外喷射的粒子还来不及离开探测器外层，后一次事件就已经发生了。喷射的粒子将由探测器捕获并记录数据。但是，如果产生的粒子数量过大，或者产生一些目前人类探测器尚无法看到的新粒子，那么它们将逃逸出LHC，为以后的数据分析留下隐患。

 

粒子束绕环形加速器运行时，将产生3种影响实验“亮度”的效应。正如前面提到的，每束1000亿个质子中将仅有20个质子发生碰撞，剩余粒子会被反向的群的电磁力推向偏离。由于整个粒子束会绕行环形加速器4亿圈，那么，每一圈的偏离都累积起来，很可能有意外的粒子损失。

 

研究人员表示，如果想使粒子束中的离子不会大量意外损失，维持实验时间，粒子束密度就不能超过一个极限。

 

另外，由于2853束质子束团要绕行27千米的 LHC管道中以接近光速运行，而束团的碰撞一次进行。但是每一次碰撞都会影响碰撞点的原有磁场。这让下一个碰撞变得更难控制，也有可能导致粒子束的丧失。相比其他实验室，LHC的这种问题更严重，因为它因追求亮度而注入更大的粒子束。所以自然总是如此让人类无奈，你的实验不能太暗，太暗你什么都看不到，你也不能太亮，太亮就直接不让你看了。为此，CERN的工作人员选择了这个尽可能亮的2853束质子束团。

 

按计划，10年之后，LHC将退出历史舞台，因为一个升级计划正在酝酿之中，人们打算在LHC的基础上对它进行升级，制造出VLHC（Very Large Hadron Collider，超大型强子碰撞机）。

 

 

LHC加速器将由CERN的一个小组负责控制。LHC上的四个巨型探测器各负责一项实验，分别被称为ATLAS、ALICE、CMS和LHCb。每个探测器，都拥有它们自己的控制室。

 

每个事例将产生大约1兆字节（MB）的数据，两秒钟就是1皮字节（PB，相当于10亿MB），这些数据流将通过上百万条通讯信道传送出来。在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘。用柯林斯的话说：“只需要6个月的时间，这些光盘就可以从地球堆到月球。因此，这些实验不会去记录所有的数据，而是设计了所谓的触发系统（trigger）和数据获取系统（data-acquisition）。这些系统就像垃圾邮件过滤器一样，每秒只筛选出100个看起来最有价值的事例，将它们的数据传送到CERN的LHC中央计算系统，以备存档和事后分析之用。”

 

LHC的计算中心也分三六九等。

 

欧洲原子能研究中心上千台计算机组成的计算机群，把过滤后的原始数据转化为更加紧凑的格式。物理学家将通过一种所谓的“网格网络”（gridnet work）分析这些数据。这种网络由世界各地研究机构的数万台计算机组成，它们就作为中介，或者叫枢纽，连接亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到CERN。

 

LHC计算网格分三层：第零层、第一层、第二层。LHC上四个探测器的数据获取系统会把数据传送到第零层并保存在磁带上。第零层将把数据分配给12个第一层计算中心，其中一个设在CERN，另外11个分布在世界各地的其他主要研究机构，包括美国的费米实验室、布鲁克海文国家实验室，以及欧洲、亚洲和加拿大的几个研究中心。因此，未经处理的原始数据实际上拥有两个备份，一个保存在CERN，另一个分散在世界各地。

 

完整的LHC计算网格还包括第二层计算中心，主要由大学和研究所的小型计算中心构成。这些中心的计算机将为整个网格上的数据分析提供分布式处理功能。据李海波介绍，每个国家的实验室能够获得什么样级别的分享数据待遇，主要看其投入建设LHC项目的资金比重。目前，中国各大实验室只能作为第二层计算中心，而日本则获得了第一层计算中心的资格。

 

“作为科研工作者，我感到非常遗憾。我们一起开玩笑说，像这么大型的加速器实验室项目，估计每50年才有一次。我们只能等下一次了。再过50年，我们的综合国力强了……那时我们都八九十岁了，肯定搞不动高能物理实验了。”李海波说。

 

 

探索宇宙诞生奥秘 欧洲大型强子对撞机9月启动