你可以把它想象成科学史上最大、最强大的显微镜。大型强子对撞机（LHC）正在日内瓦郊外乡村和村庄下方的一个环形隧道中完成建设，它将深入探索最短距离（小至纳米级）和有史以来探测到的最高能量的物理学。十多年来，粒子物理学家一直在热切等待探索那个领域的机会，有时被称为万亿电子伏特尺度，因为涉及的能量范围是：一万亿电子伏特，或 1 TeV。预计在这些能量下会发生重大的新物理现象，例如难以捉摸的希格斯粒子（据信它赋予其他粒子质量）以及构成宇宙中大部分物质的暗物质粒子。
经过九年的建设期，这个庞然大物计划（祈祷一切顺利）在今年晚些时候开始产生粒子束。调试过程计划从单束粒子束到双束粒子束再到对撞粒子束；从较低能量到万亿电子伏特尺度；从较弱的测试强度到更强的强度，后者适用于以有用的速率产生数据，但更难控制。每一步都将产生挑战，需要由 5,000 多名科学家、工程师和学生组成的庞大合作团队来克服。去年秋天，我参观了这个项目，亲身了解他们为探索高能前沿所做的准备工作。我发现，尽管计划一再延迟，但与我交谈过的每个人都对他们最终的成功表示了平静的信心。粒子物理学界正在热切等待 LHC 的首批结果。麻省理工学院的弗兰克·维尔切克表达了一种普遍的看法，他认为 LHC 有望创造“物理学的黄金时代”。
一台超级机器
为了突破万亿电子伏特尺度的新领域，LHC 的基本参数在几乎所有方面都超越了以前的对撞机。首先，它产生的质子束能量远高于以往。它近 7,000 个磁体，通过液氦冷却至两开尔文以下以使其超导，将引导和聚焦两束以接近光速百万分之一速度传播的质子束。每个质子将具有约 7 TeV 的能量——是静止质子质量所蕴含能量的 7,000 倍，这要归功于爱因斯坦的 E = mc2。这大约是当前纪录保持者、位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室的 Tevatron 对撞机能量的七倍。同样重要的是，该机器的设计目的是产生强度或亮度是 Tevatron 束流 40 倍的束流。当它满负荷并处于最大能量时，所有循环粒子将携带的能量大致相当于约 900 辆汽车以每小时 100 公里速度行驶的动能，或足以加热近 2,000 升咖啡的水。
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质子将在近 3,000 个束团中传播，这些束团分布在对撞机 27 公里周长的环形轨道上。每个束团最多包含 1000 亿个质子，其大小如针尖，仅几厘米长，在碰撞点被压缩到 16 微米直径（与最细的人类头发大致相同）。在环形轨道周围的四个位置，这些针尖将相互穿过，每秒产生超过 6 亿次粒子碰撞。物理学家称之为碰撞或事件，实际上发生在构成质子的粒子——夸克和胶子之间。最剧烈的撞击将释放大约相当于母质子能量七分之一的能量，即约 2 TeV。（出于同样的原因，尽管 Tevatron 的质子和反质子能量为 1 TeV，但它在探索万亿电子伏特尺度物理学方面仍差约五倍。）
四个巨大的探测器——最大的一个大致相当于巴黎圣母院大教堂的一半，最重的一个包含的钢铁比埃菲尔铁塔还多——将跟踪和测量每次碰撞在其中心产生的数千个粒子。尽管探测器体积庞大，但其中一些元件的定位精度必须达到 50 微米。
来自两个最大探测器的近 1 亿个数据通道每秒产生的数据量将填满 100,000 张 CD，足以在六个月内堆叠到月球。因此，实验并没有尝试记录所有数据，而是拥有所谓的触发和数据采集系统，这些系统就像巨大的垃圾邮件过滤器，立即丢弃几乎所有信息，并将每秒仅来自最有希望的 100 个事件的数据发送到 LHC 的中央计算系统，该系统位于欧洲核子研究中心 (CERN)，这是欧洲粒子物理实验室和对撞机的所在地，用于存档和后续分析。
CERN 的一个由数千台计算机组成的“集群”将把经过滤的原始数据转换为更紧凑的数据集，以便物理学家梳理。他们的分析将在所谓的网格网络上进行，该网络由世界各地研究所的数万台 PC 组成，所有 PC 都连接到一个由三个大陆的十几个主要中心组成的枢纽，这些中心又通过专用光缆连接到 CERN。
千里之行，始于足下
在接下来的几个月里，所有人的目光都将集中在加速器上。环形轨道中相邻磁体之间的最后连接已于 11 月初完成，在我们 12 月中旬付印时，八个扇区之一已冷却至运行所需的低温，第二个扇区的冷却也已开始。一个扇区已在 2007 年早些时候被冷却、通电，然后恢复到室温。在测试扇区的运行情况后，首先是单独测试，然后作为一个集成系统一起测试，一束质子将被注入到其中一根光束管道中，该管道将它们环绕机器 27 公里的轨道。
为 LHC 主环提供光束的一系列较小的加速器已经过检查，将能量为 0.45 TeV 的质子“送到”它们将被注入 LHC 的“门口”。光束的首次注入将是关键一步，LHC 科学家将从低强度光束开始，以降低损坏 LHC 硬件的风险。只有当他们仔细评估了“先导”光束在 LHC 内部的响应，并对转向磁场进行了微调后，他们才会继续提高强度。对于首次以 7 TeV 的设计能量运行，每个方向只循环一束质子，而不是构成最终目标的近 3,000 束。
随着加速器的全面调试以这种有条不紊、循序渐进的方式进行，肯定会出现问题。最大的未知数是工程师和科学家需要多长时间才能克服每个挑战。如果必须将一个扇区恢复到室温进行维修，那将增加数月的时间。
四个实验——ATLAS、ALICE、CMS 和 LHCb——也面临着漫长的完成过程，它们必须在光束调试开始之前关闭。一些极其脆弱的装置仍在安装中，例如所谓的顶点定位器探测器，它于 11 月中旬安装在 LHCb 中。在我访问期间，作为一个多年前在研究生院专门从事理论物理而非实验物理的人，我惊讶地发现，需要用成千上万根粗大的电缆来传输来自探测器的所有数据通道——每根电缆都单独标记，需要由现在的学生们一丝不苟地与正确的插座匹配并进行测试。
尽管对撞光束在未来几个月才会出现，但一些学生和博士后已经掌握了真实数据，这要归功于宇宙射线倾泻而下，穿过法瑞边境的岩石，并零星地穿过他们的探测器。观察探测器对这些入侵者的反应，可以对一切是否协同工作提供重要的现实检验——从电压电源到探测器元件本身，再到读出电子设备，再到将数百万个单独信号整合到对“事件”的连贯描述中的数据采集软件。
万众一心
当一切协同工作时，包括光束在每个探测器中心碰撞，探测器和数据处理系统面临的任务将是艰巨的。在设计亮度下，每次针尖状质子束团交叉时，将发生多达 20 个事件。一次交叉和下一次交叉之间仅间隔 25 纳秒（有些间隔更大）。当下一次交叉已经发生时，从一次交叉碰撞中喷射出的产物粒子仍将穿过探测器的外层。探测器每一层中的各个元件都会在正确类型的粒子穿过时做出响应。从探测器流出的数百万个数据通道每次事件产生约 1 兆字节的数据：每两秒产生 1 PB 或 10 亿兆字节的数据。
将这种数据洪流减少到可管理比例的触发系统具有多个级别。第一级将仅接收和分析来自所有探测器组件子集的数据，从中它可以根据孤立因素（例如是否发现高能μ子以相对于光束轴的大角度飞出）挑选出有希望的事件。这种所谓的 1 级触发将由数百个专用计算机板进行——逻辑体现在硬件中。它们将每秒选择 100,000 个数据束团，供下一阶段（更高级别的触发器）进行更仔细的分析。
相比之下，更高级别的触发器将接收来自探测器数百万个通道的所有数据。它的软件将在计算机集群上运行，并且在 1 级触发器批准的每个束团之间平均经过 10 微秒的情况下，它将有足够的时间来“重建”每个事件。换句话说，它将把轨迹投射回共同的起源点，从而为每个事件产生的粒子形成一套连贯的数据——能量、动量、轨迹等等。
更高级别的触发器每秒将约 100 个事件传递到 LHC 全球计算资源网络（LHC 计算网格）的中心。“网格”系统结合了计算中心网络的处理能力，并使其可供可能从其家庭机构登录网格的用户使用 [参见伊恩·福斯特的“网格：无界限计算”；《大众科学》，2003 年 4 月]。
LHC 的网格分为多个层级。0 级位于 CERN 本身，主要由数千个商业购买的计算机处理器组成，包括 PC 式机箱，以及最近推出的“刀片式”系统，其尺寸类似于披萨盒，但采用时尚的黑色，一排排堆叠在架子上。计算机仍在购买和添加到系统中。与家庭用户非常相似，负责人正在寻找性价比不断变化的甜蜜点，避免最新和最强大的型号，而选择更经济的选择。
由四个 LHC 实验的数据采集系统传递到 0 级的数据将存档在磁带上。在 DVD-RAM 光盘和闪存驱动器盛行的时代，这听起来可能很老式且技术含量不高，但 CERN 计算中心的弗朗索瓦·格雷表示，事实证明这是最具成本效益和安全性的方法。
0 级会将数据分发到 12 个 1 级中心，这些中心位于 CERN 本身以及世界各地的其他 11 个主要研究所，包括美国的费米实验室和布鲁克海文国家实验室，以及欧洲、亚洲和加拿大的中心。因此，未处理的数据将存在两个副本，一个在 CERN，另一个分布在世界各地。每个 1 级中心还将托管一套完整的数据，这些数据以紧凑的形式组织起来，供物理学家进行大量分析。
完整的 LHC 计算网格还具有 2 级中心，这些中心是大学和研究机构中较小的计算中心。这些中心的计算机将为整个网格提供分布式处理能力，用于数据分析。
崎岖之路
考虑到所有正在准备上线的新技术，LHC 在发展过程中遇到一些小问题——以及一些更严重的挫折——也就不足为奇了。去年 3 月，一种用于在碰撞点前方聚焦质子束的磁体（称为四极磁体）在测试其抵抗重大力的能力时遭受了“严重故障”，这些重大力可能会在例如磁体线圈在光束运行期间失去超导性（称为淬火）时发生。磁体的一部分支架在测试压力下坍塌，发出像爆炸一样的巨响并释放出氦气。（顺便说一句，当工作人员或来访记者进入隧道时，他们会携带小型紧急呼吸器作为安全预防措施。）
这些磁体成组出现，每组三个，用于首先从侧面到侧面挤压光束，然后在垂直方向上挤压，最后再次从侧面到侧面挤压，这一序列使光束聚焦得非常锐利。LHC 使用了 24 个这样的磁体，在四个相互作用点的每一侧各有一个三联体。起初，LHC 科学家不知道是否需要将所有 24 个磁体从机器中移除并运到地面进行改装，这是一个耗时的过程，可能会使计划时间表延长数周。问题在于设计缺陷：磁体设计师（费米实验室的研究人员）未能考虑到磁体必须承受的所有类型的力。CERN 和费米实验室的研究人员正夜以继日地工作，以确定问题并提出修复加速器隧道中未损坏磁体的策略。（在测试中损坏的三联体已被移至地面进行维修。）
6 月，CERN 总干事罗伯特·阿伊马尔宣布，由于磁体故障以及一系列小问题，他不得不将加速器的计划启动时间从 2007 年 11 月推迟到今年春季。光束能量将被更快地提升，以努力在 7 月之前按计划“进行物理学研究”。
尽管一些探测器工作人员向我暗示，他们很高兴能有更多时间，但看似不断后退的启动日期令人担忧，因为 LHC 开始产生大量数据的时间越长，Tevatron 就有越多的机会——它仍在运行——抢先一步。如果大自然开了一个残酷的玩笑，希格斯玻色子的质量恰好足够大，以至于现在才在费米实验室不断增加的数据中显现出来，那么 Tevatron 可能会发现希格斯玻色子的证据或同样令人兴奋的东西。
延误还可能通过学生和科学家个人为等待数据而延迟职业生涯阶段而造成个人痛苦。
另一个潜在的严重问题在 9 月份曝光，当时工程师发现，在加速器的一个扇区冷却到运行所需的低温然后又升温回室温后，光束管道内部的滑动铜指（称为插入式模块）已经褶皱。
起初，问题的严重程度尚不清楚。进行冷却测试的整个扇区有 366 个插入式模块，打开每个模块进行检查和可能的维修将是一场灾难。相反，处理该问题的团队设计了一个方案，将一个略小于乒乓球的球插入光束管道——大小刚好合适，可以被压缩空气吹过管道，并且足够大，可以在变形的模块处停止。球体包含一个以 40 兆赫兹发射的无线电发射器——当加速器以全容量运行时，质子束团将以相同的频率沿着管道传播——从而可以通过每 50 米安装的光束传感器跟踪其进度。令所有人欣慰的是，此程序显示该扇区只有六个模块发生故障，这是一个可以打开和维修的可管理数量。
当加速磁体之间的最后一个连接在 11 月完成时，完成了环形轨道并清除了开始冷却所有扇区的障碍，项目负责人林恩·埃文斯评论说：“对于如此复杂的机器，事情进展得非常顺利，我们都期待着明年夏天用 LHC 做物理学研究。”