物理学中最大的事物

如需了解更多关于大型强子对撞机的信息，请参阅我们的配套网络独家文章《希格斯之外》。

在瑞士日内瓦湖的西端，掩埋在罗纳河河谷之下，工人们正在组装这台有望解开宇宙最大谜团之一的机器的最后几个部件。这台名为大型强子对撞机（LHC）的非凡粒子粉碎机，由欧洲物理组织 CERN建造和运营，耗时 20 多年，耗资 80 亿美元，汇集了 60 多个国家的力量。

“大型”强子对撞机中的“大型”一词有些轻描淡写。用“庞大”来形容更贴切：对撞机的地下隧道环绕形成一个周长 17 英里的圆形，横跨瑞士和法国边境。在四个地点，它穿过挤满了建筑般大小探测器的巨型洞穴。在一种刻意营造的竞争中，这两个探测器——以及它们各自的科学家、工程师和技术人员大军——将相互较劲，以发现那个晦涩但极其重要的粒子，即 希格斯玻色子。

根据有史以来最精确的科学理论——称为标准模型——所有的空间都充满了被称为希格斯场的神秘物质。与磁场或引力场不同，磁场或引力场因地而异（例如，这里的东西比月球表面重），希格斯场在任何地方都是完全相同的。不同的是基本粒子与它的相互作用方式。该理论认为，这种相互作用赋予粒子质量。简而言之，希格斯场使得一些粒子（如质子和中子）相对较重，另一些粒子（如电子）则非常轻，而还有一些粒子（如光子）则完全没有质量。如果光子没有那么轻，你每次在阳光下慵懒地晒太阳时都会被光子冰雹所摧毁。但另一方面，如果质子和中子没有那么重，你也不会在那里晒太阳：没有质量及其对引力的亲和力，就不会有星系，没有恒星，也没有“我们”。

希格斯是如何施展这种魔法的？英国理论物理学家约翰·埃利斯将希格斯场比作一片平坦的雪地。穿着登山靴想穿过它，你会陷进去，花费很长时间。穿雪鞋会快一些，而穿滑雪板则可以快速轻松地滑过场地。用物理学的术语来说，“慢”是“重”的另一种说法。所以，类比来说，你的质量取决于一些基本的物理属性，相当于雪鞋或滑雪板，它会影响特定类型的粒子穿过希格斯场的方式。

希格斯玻色子应该就是这种属性的赋予者；它决定了粒子是像光子一样轻松滑行，还是必须像沉重的质子一样艰难跋涉。问题在于，没有人确切知道希格斯玻色子是什么样的，甚至它是否存在。它必须非常重，否则其他低能量的设施，例如芝加哥郊外的费米实验室，早就已经探测到它了。但它又不能太重，否则预测其存在的理论就不成立了。

LHC 是第一台有能力探索希格斯玻色子可能存在的全部能量范围的加速器。如果 LHC 发现了希格斯玻色子，它将证实标准模型的最后一个、最宏伟的方面，并解决质量到底是什么这个古老的问题。如果 LHC 未能发现希格斯玻色子，标准模型将不得不从头开始重新评估。其核心是我们对宇宙运作方式理解的一个基本部分。

来自费米实验室的美国人彼得·利蒙递给我一顶安全帽和一个装有呼吸器的金属盒子。“你即将进入工业区，”他说，“小心自行车。”

我们正要乘坐电梯下降 300 多英尺，进入一条隧道，里面是世界上最大、能量最高粒子对撞机。

那条无尽的、缓和弯曲的隧道里挤满了巨大的高科技设备，几乎没有多余的空间用于交通，除了自行车。“这是在这里四处走动的最佳方式，”利蒙解释道。

隧道里填充的是束管：用于将亚原子粒子（主要是质子）加速到光速的 99.999999% 的硬件。从外面看，束管看起来像一系列巨大的钢制桶，首尾相连，涂有鲜艳的红色、橙色和蓝色；它一直延伸到远方，就像一个巨大的输油管道。许多桶上都印有表明该项目国际性的标志。有些来自意大利，有些来自日本或美国。其中一个桶被切割开，利蒙向我展示了其中的复杂性。束管实际上包含两条束线，管子只有一英寸半宽，粒子流将在其中沿着 LHC 的轨道高速运行。束线周围是管道、电子设备和超强磁铁组成的森林。当机器在今年年底首次开启时，粒子将在不到万分之一秒的时间内绕 LHC 运行一圈。

要保持这些粒子沿着轨道运行，需要 1200 多块超导磁铁的强大弯曲力，每块磁铁重达数吨。每块磁铁必须保持在 –456 华氏度——比星系间的真空还要冷——这要求 CERN 建造世界上最大的低温系统来处理将用于冷却磁铁的 185,000 加仑液氦。

粒子将在每条束线中以相反的方向循环——一个顺时针，另一个逆时针。单独的束线会使高速粒子流保持分离——除了在环的四个点，物理学家会故意让粒子流交叉。在这些点，LHC 的物理学家将用规模和复杂性惊人的探测器来观察由此产生的混乱。

站在其中一个碰撞点，我试图想象其中涉及的能量。“如果粒子束运行时我在这里，会有很强的放射性并且很危险吗？”我问道。“粒子束运行时你在这里，”利蒙回答说，“会有很强的放射性并且致命。”每秒将发生 6 亿次粒子碰撞，虽然粒子本身只是微尘——比 the size of a gnat 还小一百万亿倍——但它们的集体能量将相当于一列特快列车的能量。一旦启动，粒子流可能会循环 10 小时，然后才需要重新填充。在这段时间里，它将行驶超过 60 亿英里，足够往返于海王星。

“我认为这是人类有史以来建造的最复杂的东西，”利蒙自豪地说。

LHC 的亚原子火球将是有史以来在地球上观测到的最高能量粒子碰撞。这是未知的领域：LHC 的碰撞可能会溅射出奇特的新型物质，展开隐藏的空间维度，甚至产生宇宙诞生时的微小发光重现。简而言之，LHC 上进行的不仅仅是寻找希格斯玻色子。“我们甚至不知道会期待什么，”法国物理学家伊夫·舒茨说。“我们现在进入了一个能量领域，没有人探索过。”

舒茨正在关注这里的另一个项目。他的实验名为重离子碰撞实验，或 ALICE（这里异想天开的首字母缩写词是一种生活方式），它将碰撞超重铅离子，以产生微型火球，模拟宇宙大爆炸后的最初一秒。尽管有这个名字，ALICE 却是环上两个较小的实验之一。另一个实验 LHCb，将试图理解为什么宇宙中存在物质而不是反物质，或者更糟的是，什么都不存在（有关这些其他实验的更多信息，请参阅本文在 www.discovermagazine.com 上的在线版本）。

但 LHC 的明星是两个竞争对手探测器，它们位于环上相对的两个点。一角是 ATLAS；而大约五英里以外的是 CMS。这两个探测器加起来花费了 8.5 亿美元，尽管它们的设计截然不同，但它们寻找的是完全相同的东西。

参观这些巨大的实验，人们不禁要问，为什么 CERN 决定将努力和成本加倍。为什么不将所有资源投入到一个探测器中，以尽快确保 CERN 在粒子物理学领域的领先地位？

原因是科学的一个基本原则：实验结果必须始终通过重复来证实。在过去的几十年里，美国和欧洲在原子粉碎能力上大致相当，双方轮流超越和证实对方的结果。但当美国于 1993 年放弃了建造超导超级对撞机的计划（已花费 20 亿美元，并在德克萨斯州挖掘了 14 英里的隧道）时，LHC 就失去了对手。因此，为了防止任何令人尴尬的科学脱轨，CERN 决定建造两个探测器，由独立的团队负责， each to check the results of the other。由于希格斯玻色子的确切性质未知，两种不同的设计也使 CERN 能够分散风险。

当我来到 CMS 探测器上方时，英国物理学家戴夫·巴尼解释说，他的实验名称代表“紧凑缪子螺线管”（Compact Muon Solenoid）。螺线管基本上是一个圆柱形电磁体，在圆柱内部产生非常均匀的磁场；均匀的场使得计算由碰撞产生的粒子的动量更加容易。CMS 电磁体仅在“紧凑”的意义上是如此，因为它极其密集。长 40 英尺，是制造过的最大的超导螺线管，耗资 6500 万美元，重约 485,000 磅，含铁量相当于埃菲尔铁塔。从外面看，它像一个巨大的钢制子弹，从一个高约 50 英尺的钢柱中心伸出，覆盖着电缆和仪器，并被脚手架环绕。“磁场是巨大的；如果现在打开它，你穿着钢头鞋，你就会飞过去，”巴尼说。

磁铁将偏转碰撞粒子流产生的新粒子的喷射，而周围的其他仪器将探测这些粒子的轨迹，吸收并记录它们的能量，从而推断出它们是什么以及它们来自哪里。许多粒子将在万亿分之一秒或更短的时间内衰变，但那足以留下明显的痕迹。CMS 的巨大尺寸是涉及的巨大能量的结果。能量越大，偏转粒子所需的磁铁就越强，记录其性质所需的空间就越多。“如果你想制造世界上最宏大的碰撞，”巴尼说，“你必须给它们呼吸的空间。”

CMS 是在地面上分段建造的，每段都通过起重机以 10 小时的过程吊入地下。在下方，半组装的切片就像一艘未来派飞船。“这就像《星球大战》，”巴尼说。“你知道你总是看到巨大的机器在移动。对我来说就是这种感觉。”我们看着其中一个部件在橙色裙子的“气垫船”上几乎看不见地上升，然后看到它缓慢而无声地滑向它的伴侣。

巴尼在 CMS 的一个探测器上工作了 10 多年，他对它充满自豪。他半开玩笑地称竞争对手 ATLAS 实验为“敌人”。

ATLAS 是“环形大强子对撞机装置”（A Toroidal LHC Apparatus）的首字母缩写。“让我看看真正的实验是什么样的，”美国物理学家史蒂夫·戈德法布说，他从密歇根大学借调而来，站在 ATLAS 飞机库门口。戈德法布解释说，与 CMS 使用靠近机器中心的单个密集磁铁不同，ATLAS 有一排多个较小的磁铁，它们之间有很多粒子可以通过的空隙。这里的优点是 ATLAS 团队不必担心建造世界上最大的螺线管。缺点是产生的磁场很复杂，有回路和涡旋，这将使计算粒子的轨迹成为一个大难题。使用多个磁铁也使得探测器太大，无法像 CMS 那样分段从地面吊入。相反，ATLAS 必须在现场完全建造。

活动非常激烈。我数了七层脚手架和许多戴着安全帽的工人。我们站在一个吊杆上，与机器的中心齐平，当我们沿着探测器的一侧行走，长达 150 英尺时，戈德法布指出了各种磁铁的外壳。中央腔几乎被超现实的电缆缠绕的意大利面条般束所遮挡。在腔的尽头是八个磁线圈的末端，每个线圈都指向中央腔的中心。它看起来诡异地像一个通往另一个宇宙的巨大入口。

ATLAS 和 CMS 都计划将 LHC 束的能量集中在一个只有几分之一英寸宽的微小空间点上。这可以最大限度地提高碰撞次数，以及从残骸中出现新的、超重粒子的机会。在这些碰撞中，能量转化为质量。输入的能量越多，出来的粒子就越重。由于 LHC 的能量比以往任何加速器都高，它也应该产生比以往任何时候都更重的粒子——包括戈德法布希望找到的难以捉摸的希格斯玻色子。

横跨大西洋，美国人仍然希望在最后一刻取得意外的胜利。在接下来的几个月里，位于伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室的 Tevatron 仍然是世界上能量最高的加速器。虽然 Tevatron 已接近其使用寿命的尽头，但它仍然有可能在 LHC 启动之前发现希格斯玻色子。Tevatron 真的能抢在 LHC 前面吗？“我认为这对他们来说会非常困难，”埃利斯说，“但就我个人而言，我祝他们好运。作为一个理论家，我乐于为赛场上的所有马匹加油。”

在 LHC，戈德法布痴迷于 ATLAS 探测器的精度。“我们需要知道每个探测器的位置，其精度达到头发丝的厚度，而机器的大小相当于半个足球场。”他告诉我，探测器每秒将生成一百万千兆字节的数据。“这相当于每秒几十万张 DVD。我们不知道如何快速刻录那么多 DVD，也不知道该如何处理它们。”

第一步是过滤掉平庸的东西，留下深刻的。在防护混凝土后面，一排排计算机已准备好进行初步筛选工作。之后，数据将上传到计算中心，真正的分析将在那里开始。即使在那里，两项实验的数据也将分开存放，并有安全系统防止窥探。“我们不能让实验互相窃听，”计算机通信主管弗朗索瓦·格雷说。“我们希望完全独立观测。”计算工作本身就是一个巨大的挑战，也是这类项目经常被引用的理由之一。上一次 CERN 的科学家们聚在一起解决他们粒子物理学实验提出的巨大计算问题时，他们发明了万维网。

“你看到的是一个巨大的努力，但你从中得到的是巨大的成果，”戈德法布说。“我们将更好地了解我们的宇宙。现在仍然有太多我们需要测量的数字。我们仍然希望有一个简单的规则，一个简单的粒子是这一切的基础。”

如果两个团队都找不到解释一切的粒子或规则——这一切都值得吗？“这个复杂探测器的总成本可能只相当于一架新一代超级轰炸机的成本，用来更好地投掷炸弹，”戈德法布说。“但它唯一的目的是弄清楚宇宙。我宁愿人们去做这样的事情。”