本周，CMS实验在欧洲核子研究中心安装了最后也是技术含量最高的探测器元件：像素探测器。这些探测器安装完毕后，只剩下束流状况监视器这一小型设备，之后就可以为迎接第一束质子束流做好准备，希望能在八月份进行。整个大型强子对撞机（LHC）几乎已经冷却——达到超导温度——因此，我们似乎终于有可能很快看到第一批数据了。据传闻，可能在8月9日（也就是下周六）就能看到第一束质子在循环，但我打赌会需要更长的时间。在将束流“加速”到高能量之前，还需要进行数周的磨合过程。今年，如果一切顺利，预计将加速到10 TeV的总碰撞能量；设计能量是14 TeV，这将在明年实现。（1 TeV即一万亿电子伏特，能量相当于约一千个质子质量。）像素探测器是CMS最内部的设备，也是最先记录质子-质子碰撞产生的高能带电粒子轨迹的设备。这些设备的核心驱动思想是记录沿带电粒子路径的微小三维空间点，使我们能够测量到10微米（千分之一毫米，人类头发直径约为50微米）内的带电粒子轨迹，从而推断它们可能从空间中的何处产生。这是特别重要的信息。LHC机器的每个反向旋转的束流中都有许多质子“团”，每个团的长度约为8厘米。每次束团碰撞（最终将是每25纳秒一次），我们都会得到许多质子-质子碰撞。极有可能只有其中一次碰撞对后续分析有价值；我们需要确定哪些粒子来自那次碰撞。像素探测器将帮助我们精确确定该空间位置。但可能更重要的是知道有些粒子似乎来自“初级顶点”（即碰撞实际发生的地方）以外的地方。这些“次级顶点”的存在表明某些粒子传播了一段距离然后衰变了。在能量很高的b夸克（bottom quark）的情况下，它可能传播数毫米甚至数厘米，然后衰变成几个带电粒子。b夸克“喷流”的存在常常是事件中是否产生了最重的t夸克（top quark）的一个良好指标。包括寻找标准模型之外的新物理在内的海量物理研究，都依赖于实验的这些能力。如果我们能剥离像素探测器所有的支撑框架、冷却系统、电子设备等，只留下探测器本身，它们会呈现出类似于右侧图示的排列方式。
正如您所见，有一个中央的“桶形”部分，以及两个“前向圆盘”。探测器本身是矩形的，顾名思义，被分割成大约零点一毫米大小的微小像素。这比你的数码相机的像素尺寸要大得多。但这个探测器每秒可以拍摄4000万张照片，保存重要的照片，并丢弃绝大多数。像素探测器的核心是读出芯片，这是一种专为该探测器、在该实验中设计的专用硅微芯片。该读出芯片的开发工作由瑞士Villigen的保罗谢勒研究所的Roland Horisberger领导。每块芯片都有一个由4000多个输入通道组成的网格；每个通道都通过“凸点键合”连接到一个传感器通道。传感器也是非常薄的硅晶片，其中一面被分割成像素。每个像素通道可以感知当一个带电粒子通过时是否沉积了特定数量的电荷，对其进行数字化和时间戳标记，并在收到与时间戳匹配的触发信号时将其发送到读出总线。探测器中的数千个读出芯片并行工作，最终通过光纤将海量数据发送到主探测器竖井旁边的服务竖井中的数据采集电子模块。PSI团队建造了CMS像素探测器的中央桶形部分，而结构更复杂的、机械要求更高的前向圆盘则由美国大学和费米实验室组成的联合体建造。前向圆盘探测器在费米实验室组装，然后运往欧洲核子研究中心进行最终组装、测试，现在进行安装。我参与该项目的方式多种多样，但最近主要致力于去年将探测器运往欧洲核子研究中心，然后与费米实验室和加州大学戴维斯分校的工程师合作设计和建造将前向探测器安装的夹具和程序。去年，我和戴维斯小组的一名博士后Ricardo Vasquez Sierra，曾四次携带组装好的半圆盘，乘坐商用飞机从芝加哥飞往苏黎世，再飞往日内瓦。这些极其精密的设备被存放在特制的丙烯酸盒子中，以便进行安全检查。（我们在芝加哥与TSA做了特殊安排……苏黎世更困难。）丙烯酸盒子又被放在泡沫衬里的硬壳箱子里。不用说，我们非常小心地携带了每一个价值约50万美元的设备。人们觉得我们疯了——在我们的领域里，探测器在运输中损坏的历史并不少见——但我们毫无问题地完成了。我最大的恐惧，我想，是某个白痴冲过航站楼，用行李车撞坏了我们的探测器之一。同时，我们需要设计一个系统来完成类似“船进瓶子”的壮举，将前向探测器安装到位。探测器位于CMS追踪器的深处，其中心孔直径约七米。探测器半圆盘安装在两米长的碳纤维服务圆柱上，服务圆柱还支撑着为探测器提供电源和冷却的电缆和管道，以及一些电子设备。两个服务圆柱垂直放置，并沿着载体顶部和底部的碳纤维床上的凹槽滑入最终位置。为了在垂直平面上不留任何未仪器化的区域，在行程末端，凹槽会弯曲，使半圆盘能够相互啮合。因此，两个半圆柱需要以毫米级的精度同时推入。之后，需要拆卸探测器，此时它们将因暴露在CMS探测器中心的强烈辐射环境中而变得具有放射性。因此，该系统必须简单、易于使用且快速，以尽量减少人员的辐射暴露。这是一张令人惊叹的照片，展示了一个前向像素半圆柱在安装过程中一半到位。注意半圆柱脚部骑行的汇聚轨道，以及探测器在进入位置时必须避开的垂直束管支撑。
我一直以来都对机械很感兴趣，喜欢解决这类问题。这并非像素项目中最“性感”的部分，但却是使整个项目正常运作的至关重要的环节。一年前，当追踪器还建在欧洲核子研究中心的一栋地面建筑中时，我们进行了一次安装测试。根据从那次测试中学到的经验，我们建造了最终的安装系统，并在束管安装完成之前于五月进行了测试。所以，就在几个小时前，CMS像素探测器成功安装到位。由于我最近刚出生儿子伊恩（优先级要分清楚...），我未能到场。但我能干的同事们无缝地接替了我。很快，LHC以及ATLAS和CMS实验将投入运行，这场进入内在空间的伟大人类冒险即将开始。
