大型強子對撞機即將竣工，這個地下圓環修建在日內瓦近郊的鄉村。你可以把它看成科學史上尺寸最大、功能最強的顯微鏡。它將賦予我們前所未有的能力，探究發生在迄今為止距離最短（小到1納納米，即百億億分之一米）、能量最高狀態下的物理過程。十多年來，粒子物理學家一直熱切期盼著這樣一個機會，去探索所謂“萬億能標”下的物理世界，因為其中的物理過程涉及的能量高達1萬億電子伏特。科學家預期，一些意義重大的全新物理現象，將在萬億能標中顯現出來，比如難以捉摸的希格斯粒子（Higgs particle，科學家相信這種粒子給其他粒子賦予了質量）和暗物質粒子（這種粒子構成了暗物質，是宇宙中物質的主要組成成分）。
經過9年的建造，這台龐大的機器預計將在今年產生粒子束流。按照計劃，LHC將接受一系列調試：從一個束流到兩個束流，再到對撞的束流；從較低能標增加到萬億能標；從強度較弱的測試束流到適合快速採集數據、但更難控制的較強束流。調試過程的每一步都很艱難，需要5,000多名科學家、工程師和研究生通力合作才能攻克難關。為了探索這一高能前沿領域，物理學家們做了許多準備工作。2007年秋天，為了得到第一手資料，我走訪了LHC項目組。雖然工程進度一再延誤，但與我交談的每一個人都對成功充滿信心。粒子物理學界正熱切等待著LHC的第一批成果。美國麻省理工學院的弗蘭克·維爾策克（Frank Wilzek）談到LHC的前景時，重復了物理學界的共識——LHC將開啟“物理學的黃金時代”。
超級機器
只要它開始運行，就將產生出能量比以前高得多的質子束流。它的大約7,000 塊磁鐵被液氦冷卻到2K以下，維持在超導狀態運行，引導並聚焦著兩個質子束流。質子束流的速度可達光速的99.9999991%。每個質子攜帶的能量將達到7萬億電子伏特，相當于質子靜止質量所含能量的7,000倍（參照愛因斯坦質能公式E = mc2）。目前的最高能量記錄保持者，是美國費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，位于伊利諾伊州巴達維亞市）的萬億電子伏特正負質子對撞機（Tevatron），而LHC產生的質子能量將是該記錄的7倍。而且，根據設計參數，LHC產生的束流強度（也稱亮度），將是萬億電子伏特正負質子對撞機束流的40倍。當LHC以最高能量狀態滿負荷運轉時，在巨型圓環中繞行的所有粒子攜帶的總能量，大約相當于900輛時速100千米的小轎車所具有的總動能——如果用這些能量燒水的話，足可以衝出2,000升咖啡。
這些質子會分布在大約3,000個束團之中，沿著週長27千米的對撞機圓環運轉。每個束團由多達1,000億個質子組成，但在對撞點上，束團的尺寸只有銀針大小：長不過幾釐米，粗細僅有16微米（大約相當于最細的頭發絲）。在圓環的四個對撞點上，這些銀針一根接一根通過，每秒鐘發生6億多次粒子對撞。物理學家把對撞稱為事例（event），這些對撞其實並不是質子與質子相撞，而是構成質子的更小粒子——誇克（quark）和膠子（gluon）之間的碰撞。最激烈的對撞將釋放出大約2萬億電子伏特的能量，相當于相撞質子所攜帶能量的1/7。（由于相同的原因，盡管萬億電子伏特正負質子對撞機中運行的質子和反質子的能量可以達到1萬億電子伏特，但它們的能量還要再提高5倍，才能跨進萬億能標的門檻。）
四個巨型探測器建造在圓環的四個對撞點週圍，最大的一個，能填滿半個巴黎聖母院；最重的一個所用的鐵，比埃菲爾鐵塔還多。這些探測器將記錄並測量每次對撞產生出的上千個粒子。盡管這些探測器尺寸巨大，安裝精度卻要求極高，一些部件必須定位在50微米的精度以內。
在兩個最大的探測器中，每一個都擁有近1億條數據流，每秒鐘產生的數據能夠寫滿10萬張光盤——只需要6個月的時間，這些光盤就可以從地球堆到月球。因此，這些實驗不會去記錄所有的數據，而是設計了所謂的觸發系統（trigger）和數據獲取系統（data-acquisition）。這些系統就像垃圾郵件過濾器一樣，每秒只篩選出100個看起來最有價值的事例，將它們的數據傳送到CERN的LHC中央計算系統，以備存檔和事後分析之用。
歐洲原子能研究中心是LHC的所在地。在那裡，上千台計算機組成的計算集群，把過濾後的原始數據轉化為更加緊湊的格式，供物理學家篩選研究。物理學家將通過一種所謂的“網格網絡”（grid network）分析這些數據。這種網絡由世界各地研究機構的數萬台PC機組成，它們先連接到亞洲、歐洲和北美洲的12個大型網絡集線中心，再通過專用光纜連接到CERN。
步步為營
未來幾個月內，全球的目光都將聚焦于這台粒子加速器。2007年11月上旬，圓環上相鄰的磁鐵進行了最後的連接；12月中旬，8個扇區中的一個已被冷卻到運行所需的低溫，第二個扇區的冷卻工作也已展開。此前，一個扇區曾被冷卻、加電，然後又回到室溫。這些扇區先接受單獨檢測，然後再進行整體試運行。一旦通過檢驗，一個質子束流就會注入圓環，沿著兩條束流管中的一條，在週長27千米的圓環中運轉。
向LHC主環提供束流的一系列小型加速器已通過驗收，它們可以把能量為0.45萬億電子伏特的質子注入LHC。束流的第一次注入將是關鍵一步，LHC的科學家們將先注入低強度束流，以降低LHC硬件損毀的風險。只有對測試束流在LHC內部的運行情況進行仔細評估，並對引導磁場進行精確修正之後，科學家們才會注入強度更高的束流。LHC首次在7萬億電子伏特的設計能量下運行時，在圓環中順時針和逆時針方向繞行的質子束團都只有一個。最終滿負荷運轉時，每個方向上將有約3,000個質子束團繞行。
如此慎重地對LHC加速器展開全面調試，肯定會查出許多問題。工程師和科學家們需要多少時間來解決這些問題，目前還無法預知。但如果一個扇區必須回到室溫下進行維修，LHC的啟動時間又將推遲好幾個月。
LHC上的四個巨型探測器各負責一項實驗，分別被稱為ATLAS、ALICE、CMS和LHCb。它們的工期也很漫長，而且必須在束流調試開始之前完工。一些非常容易損壞的部件仍在陸續安裝，比如2007年11月中旬被放置在LHCb中的所謂“頂點定位探測器”（vertex locator detector）。在訪問期間，我這個許多年前念研究生時專攻理論而非實驗物理的人，被密密麻麻的上千根電纜所震驚——正是這些電纜將探測器採集的數據一條一條傳送出來。每一根電纜都有自己獨特的標簽，需要一絲不苟地準確安插到相應的插座上，並加以檢測。
雖然還要等好幾個月才能產生對撞束流，但一些研究生和博士後已經開始處理真實數據了。這要感謝從天而降的宇宙線（cosmic ray），它們偶爾會貫穿法國瑞士邊境的岩石，擊中位于地下的探測器。這些闖入者給科學家提供了“實戰演習”的良機：觀測探測器如何應對這些闖入者，就能檢驗所有設備是否工作正常——從給探測器元件提供的電壓，到數據讀取系統的電路，再到將數百萬單獨信號整合在一起完整描述一個“事例”的數據獲取軟件，可謂面面俱到。
處理海量數據
當LHC在設計亮度下運行時，兩個銀針一樣的質子束團相遇，將產生大約20次對撞事例。兩次束團相遇的時間間隔僅為25納秒，前一次束團相遇時向外噴射的粒子還來不及離開探測器外層，後一次束團相遇事件就已經發生了。位于探測器不同層中的元件，能夠對穿過該元件的一些特定粒子作出特有的響應。每個事例都將產生大約1兆字節（MB）的數據，兩秒鐘就是1皮字節（PB，相當于10億MB），這些數據流將通過上百萬條通訊信道傳送出來。
擁有多個級別的觸發系統會把洪水般的數據減少到可以控制的程度。初級觸發將收集和分析探測器中部分子系統的數據，根據一些獨立要素挑選出其中最有價值的事例。比如，如果一個高能μ子的飛行徑蹟與束流軸的夾角偏大，這個事例就會被選中。這個所謂的“初級觸發”由嵌合在硬件中的數百個專用計算機邏輯模塊控制，每秒鐘篩選出10萬個束團的數據，供下一階段的高級觸發系統作進一步分析。
與初級觸發不同的是，高級觸發系統將收集探測器上數百萬個信道傳出的所有數據。該系統的軟件運行在計算機集群上，對于初級觸發篩選通過的每個束團，高級觸發系統平均擁有10微秒的處理時間，足夠去“重建”每一個事例。所謂“重建”，就是找出事例中所有粒子徑蹟的共同起點，並完整描述每個粒子的性質，包括它的能量、動量和軌蹟等。
高級觸發系統每秒鐘將篩選出100個事例，上傳給LHC的全球計算資源網絡——LHC計算網格（LHC Computing Grid）的集線中心。網格系統能夠綜合利用網絡上所有計算中心的處理能力。用戶只須從當地研究所登錄網格，即可利用網格的處理能力進行數據分析。
LHC計算網格可分為好幾層。第零層就設在CERN，主要由上千台市面上可以買到的計算機處理器構成，既有PC台式機，也有最新推出的比薩餅盒大小的黑色“刀片”服務器，它們都被堆放在一排排架子上（參見右頁插圖）。CERN還在訂購更多的計算機，不斷添加到這個網格系統之中。為了最有效地利用資金，CERN負責人與許多家庭計算機用戶一樣，不會購買最新、最強的計算機，而是追尋最佳性價比。
LHC上四個探測器的數據獲取系統會把數據傳送到第零層上，這些數據將被保存在磁帶上。在這個DVD刻錄機和閃存早已普及的年代，仍然用磁帶保存數據似乎有些過時和落後，但CERN計算中心的弗朗索瓦·格雷（Francois Grey）說，這是性價比最高、安全性最高的方式。
一旦開始運行，LHC將不斷產生海量數據。CREN的數千台服務器被鏈接在一起，提供了管理這些數據所需的強大計算能力。
第零層將把數據分配給12個第一層計算中心，其中一個就設在CERN，另外11個分布在世界各地的其他主要研究機構，包括美國的費米實驗室、布魯克海文國家實驗室，以及歐洲、亞洲和加拿大的幾個研究中心。因此，未經處理的原始數據實際上擁有兩個備份，一個保存在CERN，另一個分散在世界各地。第一層中的每個計算中心都會以緊湊格式，保存一份完整的數據，方便物理學家進行多種分析。
完整的LHC計算網格還包括第二層計算中心，主要由大學和研究所的小型計算中心構成。這些中心的計算機將為整個網格上的數據分析提供分布式處理功能。
|
