你可以把它想象成科学史上最大最强大的显微镜。大型强子对撞机(LHC)目前正在距离日内瓦不远的一圈乡村和村庄下面完成，它将探测到最短距离的物理(精确到纳米级)和迄今为止探测到的最高能量。十多年来，粒子物理学家一直在急切地等待着一个探索这个领域的机会，这个领域有时被称为万亿级，因为涉及的能量范围:1万亿电子伏，或1tev。重要的新物理现象有望在这些能量下发生，比如难以捉摸的希格斯粒子(被认为是使其他粒子具有质量的原因)和构成宇宙中大部分物质的暗物质的粒子。

经过9年的建造期，这个巨大的机器计划在今年晚些时候开始生产粒子束。调试过程计划从一束到两束再到对撞;从低能量到万亿级;从较弱的测试强度到较强的测试强度，适合以有用的速率产生数据，但更难控制。这一过程中的每一步都将产生挑战，需要5000多名科学家、工程师和学生合作完成。去年秋天，我参观了该项目，亲眼目睹了探测高能前沿的准备工作。我发现，与我交谈的每个人都对他们最终的成功充满信心，尽管计划一再推迟。粒子物理学界正在急切地等待LHC的第一个结果。麻省理工学院的Frank Wilczek在谈到大型强子对撞机有望带来“物理学的黄金时代”时，呼应了一种普遍的看法。

最高级的机器
为了进入万亿级的新领域，大型强子对撞机的基本参数几乎在各个方面都超过了以前的对撞机。它首先产生能量远高于以往的质子束。它的近7000个磁铁，用液氦冷却到低于2开尔文，使它们具有超导性，将引导和聚焦两束速度在光速的百万分之一以内的质子束。根据爱因斯坦的E = mc2公式，每个质子的能量约为7 TeV，是静止质子质量所含能量的7000倍。这大约是目前的纪录保持者——位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室的Tevatron对撞机能量的七倍。同样重要的是，这台机器被设计用来产生强度或亮度是Tevatron光束40倍的光束。当它满载并达到最大能量时，所有循环粒子所携带的能量大约相当于900辆汽车以每小时100公里的速度行驶的动能，或足以加热近2000升咖啡的水。

这些质子将以近3000束的形式运动，分布在对撞机27公里周长的周围。每一束多达1000亿的质子都有针那么大，只有几厘米长，在碰撞点的直径被压缩到16微米(大约和人类最细的头发一样)。在环的四个位置上，这些针状物会相互穿过，每秒产生超过6亿次粒子碰撞。物理学家称之为碰撞的事件实际上会发生在组成质子的粒子之间——夸克和胶子。最剧烈的撞击将释放出母体质子中可用能量的1 / 7，或约2tev。(出于同样的原因，尽管质子和反质子的能量为1-TeV，但Tevatron与探索万亿级物理的能力相差约五倍。)

四个巨大的探测器——最大的大约能填满巴黎圣母院的一半，最重的含铁量比埃菲尔铁塔还多——将跟踪和测量它们中心每次碰撞时喷出的成千上万个粒子。尽管探测器体积巨大，但其中一些元素的定位精度必须达到50微米。

两个最大的探测器每一个都有近1亿个通道的数据流，每秒将填满10万张cd，足够在6个月内产生一叠送到月球上。因此，这些实验将采用所谓的触发和数据采集系统，而不是试图记录所有的信息，它的作用就像巨大的垃圾邮件过滤器，立即丢弃几乎所有的信息，并将每秒最具前景的100个事件的数据发送到大型强子对撞机位于欧洲核子研究中心(CERN)的中央计算系统，用于存档和随后的分析。CERN是欧洲粒子物理实验室和对撞机的总部。

在欧洲核子研究中心，一个由几千台计算机组成的“农场”将把过滤后的原始数据转化为更紧凑的数据集，以供物理学家梳理。他们的分析将在一个所谓的网格网络上进行，该网络由世界各地研究所的数万台pc组成，所有pc都连接到一个由三大洲的十几个主要中心组成的枢纽，这些中心又通过专用光缆与欧洲核子研究中心相连。

千里之行
在未来的几个月里，所有的目光都将聚焦在加速器上。圆环中相邻磁铁之间的最后连接是在11月初完成的，当我们在12月中旬付印时，八个扇区中的一个已经被冷却到运行所需的低温，第二个扇区的冷却也已经开始。其中一个区域在2007年早些时候被冷却、通电，然后恢复到室温。在对这些扇区的运行进行测试后(先单独进行测试，然后作为一个整体系统进行测试)，一束质子将被注入两个束管中的一个，这两个束管将携带质子绕行机器27公里。

为大型强子对撞机主环提供光束的一系列小型加速器已经被测试出来，将能量为0.45 TeV的质子“带到”将被注入LHC的“家门口”。第一次注入束流将是关键的一步，LHC的科学家们将从低强度束流开始，以降低损坏LHC硬件的风险。只有当他们仔细评估了“先导”光束在LHC内部的反应，并对导向磁场进行了细微的修正后，他们才会继续进行更高强度的实验。在设计能量为7 TeV的首次运行中，只有一束质子在每个方向上循环，而不是构成最终目标的近3000个。

随着加速器以这种有分有秒的方式进行全面调试，问题肯定会出现。最大的未知数是工程师和科学家要花多长时间才能克服每一个挑战。如果一个扇形必须恢复到室温进行维修，则需要增加数月时间。

这四个实验——atlas, ALICE, CMS和lhcb——也有一个漫长的完成过程，它们必须在光束调试开始前关闭。一些极其脆弱的装置仍在安装中，例如所谓的顶点定位探测器，于11月中旬安装在LHCb中。在我访问期间，作为一个多年前在研究生院专门研究理论物理学而不是实验物理学的人，我被来自探测器的所有通道的数据需要成千上万条电缆组成的厚厚的河流所震撼——每条电缆都需要单独标记，需要费力地将其与正确的插座匹配，并由现在的学生进行测试。

尽管对撞光束还需要几个月的时间，但一些学生和博士后已经获得了真实的数据，这得益于宇宙射线穿过法国-瑞士的岩石，并零星地穿过他们的探测器。观察探测器如何对这些闯入者做出反应，提供了一个重要的现实检查:从电压供应到探测器元件本身，到电子读数，再到将数百万个独立信号集成为一个“事件”的连贯描述的数据采集软件，一切都在正确地工作。

一起现在
当一切都协同工作时，包括在每个探测器中心碰撞的光束，探测器和数据处理系统面临的任务将是艰巨的。在设计的光度下，每穿过一束针状的质子，就会发生多达20个事件。从一个十字路口到下一个十字路口的间隔只有25纳秒(有些路口的间隔更大)。当下一次交叉已经发生时，从一次交叉碰撞中喷射出来的产品粒子仍然会在探测器的外层移动。当合适种类的粒子通过时，每一层探测器中的单个元素都会做出反应。从探测器流出的数百万个数据通道从每个事件产生大约1兆字节的数据:每两秒产生1拍字节，或10亿兆字节。

触发系统将把数据洪流减少到可管理的比例，它有多个级别。第一级将只接收和分析探测器所有组件的一个子集的数据，从这些数据中，它可以根据孤立的因素挑出有希望的事件，例如是否发现一个高能介子从光束轴的一个大角度飞出去。这种所谓的一级触发将由数百个专用计算机板执行——逻辑体现在硬件中。他们将选择每秒10万组数据，在下一个阶段，即更高级别的触发，进行更仔细的分析。

相比之下，更高级别的触发器将从检测器的数百万个通道中接收数据。它的软件将在一个计算机农场上运行，每一组经过一级触发器批准的计算机之间平均间隔10微秒，它将有足够的时间“重建”每个事件。换句话说，它将把轨迹投射到共同的原点，从而形成一组连贯的数据，包括每个事件产生的粒子的能量、动量、轨迹等等。

更高级别的触发器每秒将大约100个事件传递到LHC全球计算资源网络的中心——LHC计算网格。网格系统将计算中心网络的处理能力结合在一起，使用户可以从他们的家庭学院登录到网格(参见“网格:无边界计算伊恩·福斯特(Ian Foster);新利18luck体育科学美国人，2003年4月。

大型强子对撞机的网格被组织成几层。第0层位于欧洲核子研究中心(CERN)本身，由数千个商业购买的计算机处理器组成，包括pc风格的盒子，以及最近的“刀片”系统，其尺寸与披萨盒相似，但采用时尚的黑色，堆放在一排排的架子上。电脑仍在购买并添加到系统中。就像家庭用户一样，负责人寻找不断变化的最划算的最佳点，避免使用最新、最强大的型号，而倾向于更经济的选择。

由四个LHC实验的数据采集系统传递到第0层的数据将被存档在磁带上。在这个DVD-RAM磁盘和闪存驱动器的时代，这听起来可能过时和低技术含量，但是François欧洲粒子物理研究所计算中心的格雷说，这被证明是最经济和安全的方法。

Tier 0将把数据分发给12个Tier 1中心，这些中心位于欧洲核子研究中心本身和世界上其他11个主要研究所，包括美国的费米实验室和布鲁克海文国家实验室，以及欧洲、亚洲和加拿大的中心。因此，未处理的数据将存在于两份副本中，一份在欧洲核子研究中心，另一份在世界各地分配。每一个一级中心还将以一种紧凑的形式托管一套完整的数据，以供物理学家进行许多分析。

完整的大型强子对撞机计算网格也有二级中心，即大学和研究机构的小型计算中心。这些中心的计算机将为整个电网提供分布式处理能力，用于数据分析。

坎坷崎岖的路
随着所有的新技术都准备上线，LHC在发展过程中遇到一些困难和更严重的挫折也就不足为奇了。去年3月，一种用于聚焦质子束的磁铁(称为四极磁铁)在一项抗作用力的能力测试中遭遇了“严重故障”，这种作用力可能发生在，例如，在质子束运行过程中，磁铁的线圈失去了超导性(这种不幸被称为淬火)。磁铁的部分支撑物在测试压力下倒塌了，产生了一声爆炸般的巨响，释放出氦气。(顺便说一句，当工人或来访的记者进入隧道时，为了安全起见，他们会携带小型紧急呼吸装置。)

这些磁铁三个一组，首先从一边挤压到另一边，然后是垂直方向，最后又是从一边挤压到另一边，这样的顺序使光束聚焦到一个清晰的焦点。大型强子对撞机使用了其中的24个，在四个相互作用点的两侧各有一个三重态。起初，LHC的科学家们不知道是否需要将所有24个粒子从机器中取出，带到地面进行修改，这是一个耗时的过程，可能会增加数周的时间。问题出在一个设计缺陷上:磁铁的设计者(费米实验室的研究人员)没有考虑到磁铁必须承受的各种力。欧洲核子研究中心和费米实验室的研究人员忙得不可开交，他们发现了问题所在，并想出了修复加速器隧道中未受损磁铁的策略。(在测试中受损的三联体被移到地面上进行修复。)

今年6月，欧洲核子研究中心(CERN)总干事罗伯特·艾马尔(Robert Aymar)宣布，由于磁体失效，以及一些小问题的累积，他不得不将原定于2007年11月启动加速器的计划推迟到今年春天。光束的能量将被加快提升，以尽量在7月前按计划“做物理”。

尽管一些负责探测器的工作人员向我暗示，他们很高兴有更多的时间，但似乎不断推迟的启动日期令人担忧，因为LHC开始产生大量数据所需的时间越长，Tevatron就有更多的机会——它仍在运行中——获取这些数据。Tevatron可以找到希格斯玻色子的证据，或者其他同样令人兴奋的东西，如果大自然开了一个残酷的玩笑，给了它足够的质量，直到现在才在费米实验室越来越多的数据中出现。

学生和科学家在等待数据的过程中耽误了自己职业生涯的各个阶段，这也会给他们个人带来麻烦。

另一个潜在的严重问题在9月份暴露出来，当时工程师们发现加速器的一个部分被冷却到运行所需的低温，然后又被加热到室温后，被称为外挂模块的束管中的滑动铜指发生了弯曲。

起初，问题的严重程度是未知的。进行冷却试验的整个区域有366个插件模块，打开每个模块进行检查和可能的修理将是可怕的。相反，解决这个问题的团队设计了一个方案，将一个比乒乓球略小的球插入到梁管中——刚好小到可以被压缩空气吹进管中，大到可以在变形的模块中停下来。球体内装有一个发射频率为40兆赫的无线电——加速器全速运转时，质子束会以同样的频率沿着管道运动——通过每50米安装一次的束传感器来跟踪其进程。让所有人都松了一口气的是，这个程序显示，只有6个模块出现了故障，这是一个打开和修复的可控数量。

去年11月，当加速磁铁之间的最后一个连接完成，完成了整个圈，为开始冷却所有部分扫清了道路时，项目负责人林恩·埃文斯评论道:“对于一台如此复杂的机器来说，事情进展得非常顺利，我们都期待着明年夏天与LHC进行物理研究。”