你可以把它想象成科學史上最大、最強大的顯微鏡。大型強子對撞機（LHC）正在日內瓦郊外鄉村和村莊下方的一個環形隧道中完成建設，它將深入探索最短距離（小至奈米級）和有史以來探測到的最高能量的物理學。十多年來，粒子物理學家一直在熱切等待探索那個領域的機會，有時被稱為萬億電子伏特尺度，因為涉及的能量範圍是：一萬億電子伏特，或 1 TeV。預計在這些能量下會發生重大的新物理現象，例如難以捉摸的希格斯粒子（據信它賦予其他粒子質量）以及構成宇宙中大部分物質的暗物質粒子。
經過九年的建設期，這個龐然大物計劃（祈禱一切順利）在今年晚些時候開始產生粒子束。除錯過程計劃從單束粒子束到雙束粒子束再到對撞粒子束；從較低能量到萬億電子伏特尺度；從較弱的測試強度到更強的強度，後者適用於以有用的速率產生資料，但更難控制。每一步都將產生挑戰，需要由 5,000 多名科學家、工程師和學生組成的龐大合作團隊來克服。去年秋天，我參觀了這個專案，親身瞭解他們為探索高能前沿所做的準備工作。我發現，儘管計劃一再延遲，但與我交談過的每個人都對他們最終的成功表示了平靜的信心。粒子物理學界正在熱切等待 LHC 的首批結果。麻省理工學院的弗蘭克·維爾切克表達了一種普遍的看法，他認為 LHC 有望創造“物理學的黃金時代”。
一臺超級機器
為了突破萬億電子伏特尺度的新領域，LHC 的基本引數在幾乎所有方面都超越了以前的對撞機。首先，它產生的質子束能量遠高於以往。它近 7,000 個磁體，透過液氦冷卻至兩開爾文以下以使其超導，將引導和聚焦兩束以接近光速百萬分之一速度傳播的質子束。每個質子將具有約 7 TeV 的能量——是靜止質子質量所蘊含能量的 7,000 倍，這要歸功於愛因斯坦的 E = mc2。這大約是當前紀錄保持者、位於伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室的 Tevatron 對撞機能量的七倍。同樣重要的是，該機器的設計目的是產生強度或亮度是 Tevatron 束流 40 倍的束流。當它滿負荷並處於最大能量時，所有迴圈粒子將攜帶的能量大致相當於約 900 輛汽車以每小時 100 公里速度行駛的動能，或足以加熱近 2,000 升咖啡的水。
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質子將在近 3,000 個束團中傳播，這些束團分佈在對撞機 27 公里周長的環形軌道上。每個束團最多包含 1000 億個質子，其大小如針尖，僅幾釐米長，在碰撞點被壓縮到 16 微米直徑（與最細的人類頭髮大致相同）。在環形軌道周圍的四個位置，這些針尖將相互穿過，每秒產生超過 6 億次粒子碰撞。物理學家稱之為碰撞或事件，實際上發生在構成質子的粒子——夸克和膠子之間。最劇烈的撞擊將釋放大約相當於母質子能量七分之一的能量，即約 2 TeV。（出於同樣的原因，儘管 Tevatron 的質子和反質子能量為 1 TeV，但它在探索萬億電子伏特尺度物理學方面仍差約五倍。）
四個巨大的探測器——最大的一個大致相當於巴黎聖母院大教堂的一半，最重的一個包含的鋼鐵比埃菲爾鐵塔還多——將跟蹤和測量每次碰撞在其中心產生的數千個粒子。儘管探測器體積龐大，但其中一些元件的定位精度必須達到 50 微米。
來自兩個最大探測器的近 1 億個資料通道每秒產生的資料量將填滿 100,000 張 CD，足以在六個月內堆疊到月球。因此，實驗並沒有嘗試記錄所有資料，而是擁有所謂的觸發和資料採集系統，這些系統就像巨大的垃圾郵件過濾器，立即丟棄幾乎所有資訊，並將每秒僅來自最有希望的 100 個事件的資料傳送到 LHC 的中央計算系統，該系統位於歐洲核子研究中心 (CERN)，這是歐洲粒子物理實驗室和對撞機的所在地，用於存檔和後續分析。
CERN 的一個由數千臺計算機組成的“叢集”將把經過濾的原始資料轉換為更緊湊的資料集，以便物理學家梳理。他們的分析將在所謂的網格網路上進行，該網路由世界各地研究所的數萬臺 PC 組成，所有 PC 都連線到一個由三個大陸的十幾個主要中心組成的樞紐，這些中心又透過專用光纜連線到 CERN。
千里之行，始於足下
在接下來的幾個月裡，所有人的目光都將集中在加速器上。環形軌道中相鄰磁體之間的最後連線已於 11 月初完成，在我們 12 月中旬付印時，八個扇區之一已冷卻至執行所需的低溫，第二個扇區的冷卻也已開始。一個扇區已在 2007 年早些時候被冷卻、通電，然後恢復到室溫。在測試扇區的執行情況後，首先是單獨測試，然後作為一個整合系統一起測試，一束質子將被注入到其中一根光束管道中，該管道將它們環繞機器 27 公里的軌道。
為 LHC 主環提供光束的一系列較小的加速器已經過檢查，將能量為 0.45 TeV 的質子“送到”它們將被注入 LHC 的“門口”。光束的首次注入將是關鍵一步，LHC 科學家將從低強度光束開始，以降低損壞 LHC 硬體的風險。只有當他們仔細評估了“先導”光束在 LHC 內部的響應，並對轉向磁場進行了微調後，他們才會繼續提高強度。對於首次以 7 TeV 的設計能量執行，每個方向只迴圈一束質子，而不是構成最終目標的近 3,000 束。
隨著加速器的全面除錯以這種有條不紊、循序漸進的方式進行，肯定會出現問題。最大的未知數是工程師和科學家需要多長時間才能克服每個挑戰。如果必須將一個扇區恢復到室溫進行維修，那將增加數月的時間。
四個實驗——ATLAS、ALICE、CMS 和 LHCb——也面臨著漫長的完成過程，它們必須在光束除錯開始之前關閉。一些極其脆弱的裝置仍在安裝中，例如所謂的頂點定位器探測器，它於 11 月中旬安裝在 LHCb 中。在我訪問期間，作為一個多年前在研究生院專門從事理論物理而非實驗物理的人，我驚訝地發現，需要用成千上萬根粗大的電纜來傳輸來自探測器的所有資料通道——每根電纜都單獨標記，需要由現在的學生們一絲不苟地與正確的插座匹配並進行測試。
儘管對撞光束在未來幾個月才會出現，但一些學生和博士後已經掌握了真實資料，這要歸功於宇宙射線傾瀉而下，穿過法瑞邊境的岩石，並零星地穿過他們的探測器。觀察探測器對這些入侵者的反應，可以對一切是否協同工作提供重要的現實檢驗——從電壓電源到探測器元件本身，再到讀出電子裝置，再到將數百萬個單獨訊號整合到對“事件”的連貫描述中的資料採集軟體。
萬眾一心
當一切協同工作時，包括光束在每個探測器中心碰撞，探測器和資料處理系統面臨的任務將是艱鉅的。在設計亮度下，每次針尖狀質子束團交叉時，將發生多達 20 個事件。一次交叉和下一次交叉之間僅間隔 25 納秒（有些間隔更大）。當下一次交叉已經發生時，從一次交叉碰撞中噴射出的產物粒子仍將穿過探測器的外層。探測器每一層中的各個元件都會在正確型別的粒子穿過時做出響應。從探測器流出的數百萬個數據通道每次事件產生約 1 兆位元組的資料：每兩秒產生 1 PB 或 10 億兆位元組的資料。
將這種資料洪流減少到可管理比例的觸發系統具有多個級別。第一級將僅接收和分析來自所有探測器元件子集的資料，從中它可以根據孤立因素（例如是否發現高能μ子以相對於光束軸的大角度飛出）挑選出有希望的事件。這種所謂的 1 級觸發將由數百個專用計算機板進行——邏輯體現在硬體中。它們將每秒選擇 100,000 個數據束團，供下一階段（更高級別的觸發器）進行更仔細的分析。
相比之下，更高級別的觸發器將接收來自探測器數百萬個通道的所有資料。它的軟體將在計算機叢集上執行，並且在 1 級觸發器批准的每個束團之間平均經過 10 微秒的情況下，它將有足夠的時間來“重建”每個事件。換句話說，它將把軌跡投射回共同的起源點，從而為每個事件產生的粒子形成一套連貫的資料——能量、動量、軌跡等等。
更高級別的觸發器每秒將約 100 個事件傳遞到 LHC 全球計算資源網路（LHC 計算網格）的中心。“網格”系統結合了計算中心網路的處理能力，並使其可供可能從其家庭機構登入網格的使用者使用 [參見伊恩·福斯特的“網格：無界限計算”；《大眾科學》，2003 年 4 月]。
LHC 的網格分為多個層級。0 級位於 CERN 本身，主要由數千個商業購買的計算機處理器組成，包括 PC 式機箱，以及最近推出的“刀片式”系統，其尺寸類似於披薩盒，但採用時尚的黑色，一排排堆疊在架子上。計算機仍在購買和新增到系統中。與家庭使用者非常相似，負責人正在尋找價效比不斷變化的甜蜜點，避免最新和最強大的型號，而選擇更經濟的選擇。
由四個 LHC 實驗的資料採集系統傳遞到 0 級的資料將存檔在磁帶上。在 DVD-RAM 光碟和快閃記憶體驅動器盛行的時代，這聽起來可能很老式且技術含量不高，但 CERN 計算中心的弗朗索瓦·格雷表示，事實證明這是最具成本效益和安全性的方法。
0 級會將資料分發到 12 個 1 級中心，這些中心位於 CERN 本身以及世界各地的其他 11 個主要研究所，包括美國的費米實驗室和布魯克海文國家實驗室，以及歐洲、亞洲和加拿大的中心。因此，未處理的資料將存在兩個副本，一個在 CERN，另一個分佈在世界各地。每個 1 級中心還將託管一套完整的資料，這些資料以緊湊的形式組織起來，供物理學家進行大量分析。
完整的 LHC 計算網格還具有 2 級中心，這些中心是大學和研究機構中較小的計算中心。這些中心的計算機將為整個網格提供分散式處理能力，用於資料分析。
崎嶇之路
考慮到所有正在準備上線的新技術，LHC 在發展過程中遇到一些小問題——以及一些更嚴重的挫折——也就不足為奇了。去年 3 月，一種用於在碰撞點前方聚焦質子束的磁體（稱為四極磁體）在測試其抵抗重大力的能力時遭受了“嚴重故障”，這些重大力可能會在例如磁體線圈在光束執行期間失去超導性（稱為淬火）時發生。磁體的一部分支架在測試壓力下坍塌，發出像爆炸一樣的巨響並釋放出氦氣。（順便說一句，當工作人員或來訪記者進入隧道時，他們會攜帶小型緊急呼吸器作為安全預防措施。）
這些磁體成組出現，每組三個，用於首先從側面到側面擠壓光束，然後在垂直方向上擠壓，最後再次從側面到側面擠壓，這一序列使光束聚焦得非常銳利。LHC 使用了 24 個這樣的磁體，在四個相互作用點的每一側各有一個三聯體。起初，LHC 科學家不知道是否需要將所有 24 個磁體從機器中移除並運到地面進行改裝，這是一個耗時的過程，可能會使計劃時間表延長數週。問題在於設計缺陷：磁體設計師（費米實驗室的研究人員）未能考慮到磁體必須承受的所有型別的力。CERN 和費米實驗室的研究人員正夜以繼日地工作，以確定問題並提出修復加速器隧道中未損壞磁體的策略。（在測試中損壞的三聯體已被移至地面進行維修。）
6 月，CERN 總幹事羅伯特·阿伊馬爾宣佈，由於磁體故障以及一系列小問題，他不得不將加速器的計劃啟動時間從 2007 年 11 月推遲到今年春季。光束能量將被更快地提升，以努力在 7 月之前按計劃“進行物理學研究”。
儘管一些探測器工作人員向我暗示，他們很高興能有更多時間，但看似不斷後退的啟動日期令人擔憂，因為 LHC 開始產生大量資料的時間越長，Tevatron 就有越多的機會——它仍在執行——搶先一步。如果大自然開了一個殘酷的玩笑，希格斯玻色子的質量恰好足夠大，以至於現在才在費米實驗室不斷增加的資料中顯現出來，那麼 Tevatron 可能會發現希格斯玻色子的證據或同樣令人興奮的東西。
延誤還可能透過學生和科學家個人為等待資料而延遲職業生涯階段而造成個人痛苦。
另一個潛在的嚴重問題在 9 月份曝光，當時工程師發現，在加速器的一個扇區冷卻到執行所需的低溫然後又升溫回室溫後，光束管道內部的滑動銅指（稱為插入式模組）已經褶皺。
起初，問題的嚴重程度尚不清楚。進行冷卻測試的整個扇區有 366 個插入式模組，開啟每個模組進行檢查和可能的維修將是一場災難。相反，處理該問題的團隊設計了一個方案，將一個略小於乒乓球的球插入光束管道——大小剛好合適，可以被壓縮空氣吹過管道，並且足夠大，可以在變形的模組處停止。球體包含一個以 40 兆赫茲發射的無線電發射器——當加速器以全容量執行時，質子束團將以相同的頻率沿著管道傳播——從而可以透過每 50 米安裝的光束感測器跟蹤其進度。令所有人欣慰的是，此程式顯示該扇區只有六個模組發生故障，這是一個可以開啟和維修的可管理數量。
當加速磁體之間的最後一個連線在 11 月完成時，完成了環形軌道並清除了開始冷卻所有扇區的障礙，專案負責人林恩·埃文斯評論說：“對於如此複雜的機器，事情進展得非常順利，我們都期待著明年夏天用 LHC 做物理學研究。”