巨獸復(fù)活

大型強子對撞機重啟倒計時

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經(jīng)過兩年的休整，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(zhǔn)備通過新的實驗，在物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型之外獲得突破…… 

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

CERN是歐洲的粒子物理學(xué)實驗室，坐落于瑞士日內(nèi)瓦郊外。這時已到了上午十點，控制大廳里擠滿了物理學(xué)家，他們正緊盯著房間內(nèi)的電腦屏幕。拉蒙特是CERN束流部門的運行主管，他解釋說，他們正在進行一些測試，以保證電腦出現(xiàn)意外故障時，不會對大型強子對撞機（LHC）的電子器件、真空管道和超導(dǎo)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行大量的測試，這只是其中一項。這次大休整開始于2013年3月，現(xiàn)在已接近尾聲。目前正在進行的工作是，將加速器中27千米長的超導(dǎo)體磁鐵環(huán)冷卻，為加速器的重啟做準(zhǔn)備。而一旦LHC重新投入運行，兩束質(zhì)子束流會在圓環(huán)軌道中相向運動，拉蒙特和同事就要拼盡全力，讓質(zhì)子束能量逼近其設(shè)計能量：每束7萬億電子伏特（TeV, 1012eV），這幾乎是LHC此前運行能量的兩倍。每束質(zhì)子束流都滿載著相當(dāng)于一輛飛馳火車的巨大能量。

重啟之后

假如這些粒子的質(zhì)量不是太大，不超過LHC的最高設(shè)計能量，那么尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標(biāo)之一，甚至還有可能得到更奇怪的結(jié)果，例如發(fā)現(xiàn)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(xiàn)意外將會產(chǎn)生怎樣嚴(yán)重的后果。他曾經(jīng)歷2008年9月的那次事故：當(dāng)時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(shè)計能量，結(jié)果卻導(dǎo)致電子設(shè)備故障，從而中斷運行達1年多的時間，最后花費了數(shù)千萬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，”拉蒙特說道。研究人員設(shè)法對其修理，并在2009年末讓它重新運行了起來。為了避免設(shè)備再次“罷工”，研究人員將其運行能量設(shè)定為設(shè)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(jù)。建立已有40年之久的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（standard model）是現(xiàn)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未經(jīng)證實的預(yù)言。

2012年7月，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，2013年的諾貝爾物理學(xué)獎就頒給了首次預(yù)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(xiàn)的希格斯粒子是否如標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的那樣，是唯一的該類粒子，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，它們有些可能就會在更高能量的碰撞中現(xiàn)身。高能量碰撞還有可能產(chǎn)生一些連標(biāo)準(zhǔn)模型都未能預(yù)見的、更為奇異的新粒子。

理論物理學(xué)家對這類奇異粒子的預(yù)言已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年。20世紀(jì)70年代早期提出的超對稱（supersymmetry）理論，是標(biāo)準(zhǔn)模型的擴展理論，該理論認(rèn)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(gòu)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，但標(biāo)準(zhǔn)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LHC的最高設(shè)計能量，那么尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標(biāo)之一。甚至還有可能得到更奇怪的結(jié)果，例如發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)起來。

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，隧道里充斥著金屬、灰塵和熾熱電路的氣味，重型千斤頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜復(fù)雜的線材和管路，這些線材和管路包裹著密封的束流管道從磁鐵中心穿過

從控制中心開車出發(fā)，行駛不久，萊蒙特就到達了目的地。他帶上頭盔，穿上包裹著金屬的靴子，背上應(yīng)急呼吸設(shè)備，走進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，即使已經(jīng)在CERN待了25個年頭，對這臺儀器的威力和復(fù)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，隧道里充斥著金屬、灰塵和熾熱電路的氣味。重型千斤頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜復(fù)雜的線材和管路，這些線材和管路包裹著密封的束流管道從磁鐵中心穿過。為了避免再次短路，研究人員為LHC裝備了各種傳感器和數(shù)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個超導(dǎo)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間才完成。

2014年6月起，萊蒙特團隊開始冷卻磁鐵，他們要將磁鐵冷卻至最終的運行溫度：1.9K。在這個溫度下，用以產(chǎn)生磁場的載流電纜會進入超導(dǎo)狀態(tài)。為了讓整個降溫過程可控，LHC的加速環(huán)被劃分成8個部分，每部分都可以單獨冷卻，而每部分需要花費兩個月時間。一旦所有磁鐵都冷卻下來，就可以進行電氣測試，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表現(xiàn)得十分完美，但由于某種原因，當(dāng)其產(chǎn)生的磁場相當(dāng)于產(chǎn)生6.5TeV的束流時，這些磁鐵就失去了超導(dǎo)性。這算不上災(zāi)難，修復(fù)這樣的磁鐵只需讓它們循環(huán)多運行幾次，直到穩(wěn)定下來進入正常狀態(tài)。但這需要時間，萊蒙特說道，“更何況有幾百個這樣令人討厭的家伙”。

無論如何，質(zhì)子束都將被再次注入LHC，這將是一起劃時代的事件，目前研究人員將這一時間設(shè)定在2015年3月。在那之后，再經(jīng)過幾周測試，物理學(xué)家會開始操控束流進行碰撞，然后確認(rèn)探測器是否安全，之后就可以開始搜集數(shù)據(jù)了。

隧道里飄浮著一種淡淡的燒焦的氣味。萊蒙特解釋說，這是在加熱真空管道，從而驅(qū)散其中的分子。他走過幾塊磁鐵，來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。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)子就會從這里呼嘯而過，飛向ATLAS，它們將在那里猛烈撞擊，并向其他方向偏折，碰撞殘骸也會通探測器向外噴射。

升級探測器

LHC下一次運行時，不僅束流能量會提高，其中攜帶的質(zhì)子數(shù)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，當(dāng)上一次碰撞產(chǎn)生的微粒還在奔向探測器的途中時，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(cè)、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12500噸的緊湊子線圈（Compact Muon Solenoid，CMS），30年前設(shè)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，”坎波雷西說道。CMS是一個巨大的圓柱，里面有大量的粒子硅探測器、超導(dǎo)磁鐵和約束磁場用的厚重鋼鐵。很多人宣稱這臺裝置太過復(fù)雜，根本無法運行，但它不但運行了起來，“而且遠超我們的預(yù)期，”坎波雷西說道。正是CMS和ATLAS在2012年確認(rèn)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行合作研究的3800位科學(xué)家。眼下，他正在為LHC的重新運行做協(xié)調(diào)工作。像LHC所有主要探測器（包括位于其他位置的更為復(fù)雜的ALICE和LHCb探測器）的實驗團隊一樣，他的團隊已經(jīng)在中斷期內(nèi)對CMS進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(qū)域，也就是束流交匯以及新粒子從碰撞點噴涌而出的位置，敏感的硅示蹤器沒有受到輻射損傷，可以繼續(xù)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，它們會產(chǎn)生虛假信號，顯示產(chǎn)生了一個新的奇異粒子，但事實上，這個粒子并不存在。

坎波雷西尤其對在CMS末端新增的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。這項升級最終能提升探測器的“觸發(fā)器”水平，也就是一連串電子設(shè)備及軟件，它們可以引導(dǎo)碰撞后產(chǎn)生的粒子噴流通過探測器，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一步研究的東西。但LHC下一次運行時，不僅束流能量會提高，其中攜帶的質(zhì)子數(shù)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，當(dāng)上一次碰撞產(chǎn)生的微粒還在奔向探測器的途中時，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行分析和判斷，哪些信息值得存儲下來，以備后續(xù)研究。研究人員的目標(biāo)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(xiàn)在占用了我們大量時間，”坎波雷西解釋道。

浩如星海的數(shù)據(jù)

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

重新休整的LHC一旦開始運行，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，然后通過光纖傳遞到計算機中心。那是一間密不透風(fēng)、沒有窗戶的房間，布滿了密密麻麻的機架，那里一共裝配有約10萬臺處理器，散熱風(fēng)扇呼呼作響，控制著房間溫度。

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

但是，只是將信息存儲起來，已經(jīng)遠遠不能滿足研究人員對實驗結(jié)果近乎“貪婪”的胃口了。今天的粒子物理學(xué)家將大部分時間用在了編寫計算機代碼上，他們編寫了成千上萬行代碼，用于在數(shù)百萬個事件中搜尋不同尋常的信號。為了將數(shù)據(jù)傳遞至這些研究人員手中，CERN搭建起了一個全球計算網(wǎng)格（Worldwide Computing Grid），計算機中心將數(shù)據(jù)備份下發(fā)到分布在全球的13個“1級”電腦中心，然后再由1級節(jié)點下發(fā)至150個規(guī)模小一些的2級節(jié)點，大部分2級節(jié)點都設(shè)在大學(xué)中。

幸運的是，對終端用戶而言，他們無需為這些細(xì)節(jié)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)格軟件會自動將任務(wù)分配給有足夠計算能力和存儲空間的中心，計算結(jié)束后再將結(jié)果返回。我們到訪的這天，在CERN的電腦中心，實時大屏幕上就顯示，單在CERN就有10500個程序正在運行，CERN僅占網(wǎng)格資源的6%而已。作為英國網(wǎng)格協(xié)調(diào)員，劍橋大學(xué)的物理學(xué)家杰里米?科爾斯（Jeremy Coles）說，要沒有網(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，未來的挑戰(zhàn)是，如何處理即將到來的浩如星海的數(shù)據(jù)。在LHC的第一次運行期間，盡管探測器的觸發(fā)器已經(jīng)過濾掉了大部分?jǐn)?shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)還是以每年15PB（petabyte，1PB=1024?1024GB）的速度累積，這比每年上傳到Y(jié)ouTube上的視頻總量還要多。而當(dāng)LHC在2015年重啟時，加倍的碰撞率將每年產(chǎn)生大約30PB的數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于每秒產(chǎn)生1GB的數(shù)據(jù)。

全球計算網(wǎng)格是否有能力應(yīng)對數(shù)據(jù)的激增，科爾斯對此抱有信心。這不僅是因為技術(shù)上的進步讓各計算中心之間的集成度更高，而且“在過去的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(xiàn)有空間和能耗限制之下，他們通過兩根傳輸速率高達每秒100G的光纖，將位于布達佩斯的設(shè)備連接進來，擴充了CERN數(shù)據(jù)中心的處理能力?？茽査拐f，從運行上看，布達佩斯的設(shè)備和放置在隔壁的設(shè)備沒什么區(qū)別。

但數(shù)據(jù)暴漲不會就此止步，計劃中的對LHC的各項升級工作，將會使LHC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量繼續(xù)增長，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB?！拔覀儸F(xiàn)在還無法處理這么多數(shù)據(jù)，”科爾斯感嘆道。更糟糕的是，計算機芯片的運行速度正在進入平臺期，目前最好的商用芯片通常會使用2個、4個或8個處理器來提高運行能力，未來的芯片可能會有更多處理器，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150萬行代碼重新編寫，這需要數(shù)千人花費數(shù)年時間才能完成。

在20世紀(jì)80年代末，當(dāng)CERN的物理學(xué)家需要一個更好的方式來分享數(shù)據(jù)時，他們發(fā)明了互聯(lián)網(wǎng)（WWW），而在上世紀(jì)90年代，當(dāng)他們需要一種更好的方式來訪問計算機存儲資源時，又發(fā)明了世界上最大的計算機網(wǎng)格。因此對于上述問題，LHC的科學(xué)家似乎也應(yīng)有信心解決。

在談及“下一代大型加速器”時，萊蒙特看上去也有著同樣的信心。盡管CERN才剛慶祝完60周歲生日，而LHC也還有20年時間來進行質(zhì)子碰撞，但實驗室已經(jīng)開始探索建設(shè)80?100千米左右的加速器的可行性了，那將會進一步深入探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。萊蒙特同時也指出，LHC雖然在2008年才開始第一次運行，但實際上，早在1984年，研究人員就開始規(guī)劃了，因此，“我們現(xiàn)在必須開始考慮下一代加速器的事情了”。