大型强子对撞机将暂停进行升级

在欧洲对撞机计划关闭之际,维护、改进工作和数据分析将使科学家们忙碌起来

在成功发现希格斯玻色子或与之非常相似的粒子后,世界上最强大的粒子对撞机准备进行一次当之无愧的休息。大型强子对撞机(LHC)将于 2 月 11 日关闭,进行大约两年的升级工作。

这次被称为 LS1(“长停顿一”)的停机,是为了纠正位于瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室 CERN 地下的对撞机原始设计中的几个缺陷。修复后,对撞机可以将质子碰撞的能量几乎翻倍。

但是,数千名依赖 LHC 获取数据的物理学家不会有长假。繁重的维护、升级和前瞻性规划将使在对撞机探测器上工作的科学家们忙碌起来(见《停机时间?》)。与此同时,研究生和博士后将仔细研究过去三年的数据,完善他们对去年夏天发现的类希格斯粒子的测量,并寻找任何不寻常的信号。“这绝对不是休息的时间,”LHC 最大探测器 ATLAS 的副发言人戴夫·查尔顿说。


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图片来源:《自然》杂志

LHC 的壮观运行在 2008 年的开始并不顺利。在操作人员启动后不久,一个不良的电气连接导致冷却剂汽化,引发了一场爆炸,损坏了机器的整个扇区(见《自然》455, 436–437; 2008)。修复工作花费了一年多的时间,随后的审查揭示了原始设计中潜在的危险缺陷,CERN 加速器主任史蒂夫·迈尔斯说。最糟糕的是一个铜棒系统,该系统旨在在紧急关闭或故障时将电流从精密的超导电缆中引走。迈尔斯说,铜棒的安装方式使其容易发生故障。

为了保护机器免受进一步灾难,加速器团队决定以一半功率运行对撞机,直到所有 10,000 个铜连接点都可以修复并采取额外的安全措施。这些维修工作将在 LHC 关闭后立即开始,并将涉及数百人轮班工作,迈尔斯说。目标是在 2014 年 12 月之前以 14 万亿电子伏特的完整设计能量重新启动对撞机,但复杂的计划将非常紧张。“没有余地,”他说。

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与此同时,负责地下探测器的团队将利用三年多来首次完全访问机器的机会。“LHC 的实验很像卫星”,ALICE 发言人保罗·吉贝利诺说,ALICE 探测器收集铅和金等重离子碰撞的数据。

自 LHC 于 2009 年开始运行以来,仪器内部(其中最大的仪器长 46 米,宽 25 米,相当于巴黎圣母院的一半大小)在很大程度上无法进入。现在,负责机器的戴着安全帽的科学家将打开它们进行维修和升级。例如,ALICE 将获得一套新的仪器,用于跟踪碰撞中飞出的电子和光子。

与此同时,在地面上,团队将更换负责捕获和分析每秒数百万事件的计算机组。升级将帮助研究人员处理机器启动时预期的大量数据。查尔顿说,ATLAS 也将进行类似的工作。

其他物理学家将仔细检查已经检测到的碰撞。去年 7 月,ATLAS 和另一个探测器紧凑渺子螺线管 (CMS) 的研究团队宣布了希格斯玻色子的有力证据,这是一种长期预测的粒子,也是赋予其他粒子质量的拟议机制的一部分(见《自然》487, 147–148; 2012)。但此后,探测器积累的数据量增加了一倍。“我们已经过了发现阶段,现在处于测量阶段,”查尔顿说。

研究团队将工作到夏季,试图确定新粒子的“自旋”(理论预测为 0)。研究人员还将试图进一步确定其质量和行为,以了解它是否真的是长期寻找的粒子,还是其他伪装成希格斯玻色子的东西。这样的粒子或多个粒子看起来很像理论家预测的希格斯粒子,并且可以帮助赋予其他粒子质量,但在重要方面可能会有所不同,这将暗示超出当前预测范围的新物理学。

伦敦国王学院的理论物理学家约翰·埃利斯说,理论家也将重新审视迄今为止收集的数据。在急于发现希格斯玻色子时,实验人员只进行了最简单的分析。“实验人员追求唾手可得的成果,”他说。数据中可能隐藏着新事物的信号。

埃利斯计划继续在数据中寻找超出标准模型的物理学迹象。特别是,他希望发现一些关于超对称的暗示——他多年来致力于研究的一种理论。超对称预测会出现许多新的粒子,但到目前为止,探测器内部还没有出现任何粒子。

研究团队还将利用休息时间展望未来。CMS 发言人乔·因坎德拉表示,该小组正在考虑如何充分利用 LHC 的新潜力。“我们必须开始考虑为 2020 年代初期更换探测器了,”他说。尽管 CMS 将保留其磁铁和金属上部结构,但计划最终用新的最先进的设备替换几乎所有的电子内部结构。

随着停机的开始,实验室的节奏将发生变化。24 小时轮班运行将结束,对希格斯的疯狂深夜分析也将结束。但因坎德拉说,没有人计划长时间休假。“信不信由你,我们没有足够的时间来完成我们需要做的一切。”

本文经《自然》杂志许可转载。该文章于 2013 年 2 月 6 日首次发表

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