欧洲大型强子对撞机2015年3月将重启

当LHC恢复运行时，成对循环的质子束在环中以不同的方向运行，并且将获得每束7万亿电子伏特的设计能量。

来源:安迪·波兹

迈克·拉蒙特抓起桌上最后一个羊角面包，边吃边走过欧洲核子研究中心的控制中心。现在是中午，巨大的蓝色房间里挤满了盯着电脑屏幕的物理学家。作为欧洲粒子物理研究所(CERN)束流部门的运行经理，拉蒙特解释说，他们正在进行运行测试，以确保计算机意外断电不会影响到电网、真空管和超导磁体，它们构成了欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)，这是世界上最强大的粒子加速器。

这是让拉蒙特和他的同事睡个好觉的众多测试之一。他们即将完成去年3月开始的一项重大翻修工程。他们已经开始冷却27公里长的加速器超导磁环，为明年重启做准备。然而，当LHC恢复运行时，循环的成对质子束将在环中向不同的方向运行，拉蒙特和他的同事将推动它获得每束7万亿电子伏特的设计能量。

拉蒙特清楚地知道如果有错误会发生什么。2008年9月，研究小组试图将价值50亿美元的对撞机倾斜到这一能量值，但最终导致了泄漏，导致该设备一年多无法使用，维修费用高达数千万美元。

"从那以后，我们对这台机器了解了很多."拉蒙特说。研究人员设法修复了这台机器，并在2009年底重新启动，但他们只让LHC以设计功率的一半运行，以避免再次停机。然而，这足以与科学家们长期寻找的希格斯玻色子的决定性证据相冲突。

LHC的物理学家希望从机器的操作中获得更多。新发现的希格斯玻色子是唯一这样的粒子，还是整个家族中最轻的成员？也许高能会产生标准模型中没有的其他新的奇怪粒子。

几十年来，理论家们一直在预测这种粒子的存在。寻找超对称粒子将是这台重启机器的主要目标。甚至可能会有更特殊的结果，比如超越普通的三维空间维度。但前提是拉蒙特和他的同事们可以全权管理LHC。

滴答和嘶嘶声

从控制中心出来，拉蒙特戴上头盔、齐膝长靴和紧急呼吸器，然后走进电梯，下降到地下100米处。电梯门在服务走廊打开，从那里有一条通往LHC隧道的通道，在那里一系列圆柱形的亮蓝色磁铁弯曲并延伸到远处。

即使在这里工作了25年，拉蒙特说他仍然对这台复杂的机器感到敬畏。LHC可以发出嗡嗡声、滴答声和嘶嘶声，它的隧道散发着金属、灰尘和温暖电路的气味。这个15米长、35吨重的磁铁是由一个千斤顶从混凝土地板上吊起的。它充满了错综复杂的电线和管道，围绕着一个穿过其中心的封闭的束管。

为了避免另一次短路，LHC配备了传感器和几千米长的电缆来检测电泳中最弱的信号。至关重要的是，10，000个连接磁体的超导连接器已经被加固或替换——超过250人花了一年多的时间才完成这项工作。

自六月以来，研究小组已经将磁铁冷却到1.9开尔文的工作温度，在这个温度下，产生磁场的载流电缆将具有超导性。为了使这个过程易于管理，LHC环被分成八个部分，每个部分都可以单独冷却。一旦磁铁被冻结，研究小组将进行电气测试，以确保它们能以高功率运行。

拉蒙特已经知道事情不会一帆风顺。在地面测试中，一组磁铁表现良好，但由于某些原因，“熄灭”或失去了超导性。他说这不是一场灾难，但是修理磁铁需要时间，“几百个人！”

但最终，质子束将穿过LHC——同样——目前计划在2015年3月。在那之后，将会有几个星期的测试，然后物理学家将开始引导光束进行碰撞，看看探测器是否能安全地收集数据。

隧道里有一股微弱的燃烧气味。拉蒙特解释说，真空管应该被加热，以消除杂散粒子。另一边是——阿特拉斯，LHC四大粒子探测器之一。很快，高能质子将通过这里被点燃进入ATLAS。

系统升级

在距ATLAS约8.5公里的地方，LHC环背面的蒂齐亚诺·坎伯雷西(Tiziano Camporesi)抬头看着12500吨的紧凑型超薄线圈(CMS)，对30年前设计它的物理学家的大胆尝试感到惊讶。“他们一定是疯了。”他说。许多人声称这台机器太复杂，无法运行。但它成功了，坎坡雷说，“比我们预期的好得多”。CMS和ATLAS是2012年发现希格斯玻色子的探测器。

作为CMS合作项目的发言人，Camporesi将于明年协调高能运行活动。在LHC暂停期间，他的团队已经进行了一些必要的维修和升级。他们带来了好消息:在探测器的中心区域，光束相交，新产生的粒子从碰撞点向外爆炸，敏感的硅跟踪器保存完好，没有辐射损伤。然而，CMS物理学家替换了几个产生错误结果的光电倍增管。

Camporesi特别自豪的是在每个碟形小室的两端增加了CMS，以提高其探测小物体的能力。这一升级将加强探测器的“触发器”，这是一种电子和软件的结合，用于监测通过探测器的粒子流，并为未来的研究找到重要线索。Camporesi说物理学家已经使用这种触发器几十年了。

然而，LHC未来的运行不仅会增加光束的能量，还会增加携带的质子数量。结果是，在CMS中每秒钟将会有10亿到20亿次碰撞。在这些事件中，触发器必须决定存储哪些数据用于未来的研究。“现在它占用了我们大部分时间。”坎坡雷说。

大数据挑战

一旦翻新后的LHC重新启动，来自CMS和其他探测器的粗糙电子信号将通过光纤流回欧洲核子研究中心的主校区。电缆直接连接到实验室的计算机中心。处理器将分析输入数据，以确定每次碰撞产生的粒子的身份、能量和方向。结果将被存储在磁带上——这种老式媒体比数字存储更便宜、更耐用。

然而，简单地存储信息不能满足研究人员的胃口。目前，物理学家花大部分时间编写数千个计算机代码，从数百万次碰撞中寻找异常信号。为了满足需求，欧洲核子研究中心建立了全球计算机网格。这些计算机中心连接到150个被称为第二层节点的小型计算机集群，其中大部分为大学所有。

幸运的是，最终用户不需要知道这一点。一个物理学家只需要将项目提交给网格，并制定要检查的撞击事件。网格软件将自动连接控制中心并返回所需的数据。如果没有这些网格，英国剑桥大学的物理学家杰里米·科尔斯和他的同事们可能还在寻找希格斯玻色子。

科尔斯说，未来的挑战是应对极高的事故率。在LHC最初运行期间，尽管探测器的触发装置有了很大改进，但数据仍以每年15兆字节的速度累积，超过了YouTube每年上传的视频总量。当LHC明年重新启动时，碰撞次数增加一倍，这个速度将增加到30兆字节。

科尔斯认为，计算机网格可以应对这种增长，至少因为技术进步可以使计算机中心更近。"在过去的10年里，互联网发展非常迅速，远远超出了我们的想象."他说。例如，去年，欧洲粒子物理研究所通过将两条电缆连接到匈牙利布达佩斯的设备上，扩展了数据中心的容量。

然而，这里的数据不会停止。到20世纪20年代初，LHC的数据输出能力将飙升至每年110兆字节，最终达到400兆字节。“我们现在没有办法处理这件事。”科尔斯说。使问题更加严重的是计算机芯片的停滞速度。

无论如何，当欧洲核子研究中心的物理学家在20世纪80年代需要更好的方法来分享信息时，互联网出现了。20世纪90年代，当他们需要更好地访问计算机资源时，他们发明了世界上最大的计算机网格。因此，LHC科学家有信心解决当前的问题。(张张)

《中国科学日报》(第三版国际版，2014年10月15日)