格物致知－－大型強子對撞機

■ 柯林斯

你可以把它想成是科學史上最巨大、功能最強大的顯微鏡。大型強子對撞機（LHC）——距離日內瓦只有一小段車程的鄉村地底下的環形機器已經組裝完成，它所探究的是我們所探查過的最短尺度以及最高能量的物理。十幾年來，粒子物理學家一直熱切期盼有機會探索兆等級的物理（這樣稱呼是因為它牽涉到的能量高達1012電子伏特，也就是1兆電子伏特）。我們預期在這么高的能量上，必定會出現重大的新物理現象，例如難以理解的希格斯粒子（一般相信它負責給予其他粒子質量）以及占據宇宙大部分物質的暗物質的組成粒子。

經過9年的建造期，這個龐大的機器從2008年開始產生粒子束。測試程序計劃從單一粒子束到二束粒子、再到粒子束對撞；從較低能量到兆等級；從較弱的測試強度到足以有效產生數據但也較難控制的較大強度。過程的每一步驟都充滿挑戰，而超過5000位的科學家、工程師及學生也將通力合作來克服。為了近距離觀察這個已經開始探索高能物理的尖端設備，2010年秋天我參觀了這個計劃，當時和我談話的每個人都表露出最終會成功的平靜和自信，盡管工作表其實已一再延后。粒子物理學界正熱切地等待大型強子對撞機的初步實驗結果，美國麻省理工學院的弗蘭克·威爾切克談到大型強子對撞機的前景時，語帶興奮地表示：“物理學的黃金時代即將誕生。”

頂級的機器

為了進入兆等級的新領域，大型強子對撞機各方面的基本參數幾乎都超越先前的對撞機，它啟動時可以產生前所未有的高能量質子束。它的將近7000個磁鐵在液態氦冷卻下，溫度會降到2K以下，變成超導態，這些磁鐵將引導并聚集二束與光速相差不到億分之一的質子束，每個質子會帶著約7兆電子伏特的能量。根據愛因斯坦的E=mc2公式，這大約是質子靜止質量所含能量的7000倍，也約是目前世界紀錄的7倍，原紀錄是由美國費米國家實驗室所保持的。另一項重要的設計是，大型強子對撞機所能產生的粒子束強度（或稱做亮度），比正負質子對撞機所能產生的要強上40倍。當大型強子對撞機在最高能量全力運轉時，所有在繞圈子的粒子所攜帶的能量總和，相當于大約900部車子同時以時速100千米奔馳的動能；如果用來燒開水，可以煮將近200立方米的咖啡。

質子束運行時將分散成約3000個小團，分布在周長27千米的對撞機軌道上。每個針狀的小質子團包含多達1000億個質子，質子團長度只有幾厘米，而在對撞點更會被壓縮到直徑只有16微米（大約與人類最細的毛發相當）。在環上的四個對撞點，這些針狀團會穿過彼此，每秒產生超過6億次粒子碰撞。這些碰撞（物理學家稱為“事件”）事實上是發生在組成質子的夸克與膠子之間。在最激烈的對撞下，可釋放出的能量大約為原先質子能量的1/7，也就是約2兆電子伏特。（同理，正負質子對撞機對于要探究兆等級的物理能量只是大型強子對撞機的1/5，盡管其質子及反質子都具有1兆電子伏特的能量。）

大型強子對撞機的四個巨大的偵測器將追蹤并測量在偵測器中心每次碰撞后所飛濺而出的上千個粒子，其中最大的偵測器大約可以占據半座巴黎圣母院，而最重的偵測器所含的鐵比埃菲爾鐵塔的鐵還要多。盡管偵測器的體積龐大，但是它們的某些零件位置必須被校準到50微米的精確度。

大型強子對撞機的二個最大的偵測器所產生的數據，會以將近1億個渠道傳輸，其數據量每秒可裝滿10萬張光盤，將之堆放起來的話，在6個月內就可到達月球。因此，為了將它們全部記錄下來，科學家選擇了利用“觸發及數據擷取系統”，它們的作用就像是龐大的垃圾郵件過濾器，立即丟棄幾乎所有的信息，每秒只留下看起來最有希望的100個事件，并將之送到歐洲核子研究組織里大型強子對撞機的中央計算機系統建立文件，供以后的分析用。幾千臺位于歐洲核子研究組織的計算機會組成一個“農場”，將這些篩選過的原始數據轉換成較簡潔的數據組，以利物理學家查詢。分析的工作將在遍布全世界各研究機構、超過10 000臺計算機所組成的網格上進行。這些計算機全部先連接到坐落于三大洲的12個主要中心組成的轉接中心，再由專用的光纖連接到歐洲核子研究組織。

漫長的測試旅程

2010年11月初，科學家已經完成了環上最后一個相鄰磁鐵的組裝。當我們發布消息時，八個部分中的一個已經幾乎被降溫到運轉所需的低溫度，而第二個的冷卻也已經開始。在包括各部分以及整體系統的所有測試都完成后，一束質子將被注入二個粒子束通道中的一個，通道將引導質子束環繞這個周長達27千米的機器。

將質子束加速并送到大型強子對撞機主環的一系列小型加速器已經通過測試，這些加速器可以把質子的能量提升到0.45兆電子伏特的能量門檻，然后再注射入大型強子對撞機。第一次注射粒子束是相當關鍵的一步，大型強子對撞機項目的科學家會從低強度的粒子束開始測試，以減低硬設備損壞的風險。等到他們已經謹慎地確認了測試的質子束在大型強子對撞機內的反應，并且微調過操控磁場后，才會進行較高強度的測試。當大型強子對撞機第一次以設計的極限能量7兆電子伏特運轉時，每個方向只有單一質子團繞行，而不是最終目標——3000個。

在加速器以這種步步為營的方式，向完整的任務邁進的過程中，問題是一定會出現的。工程師及科學家得花多少時間克服每個挑戰，是個很大的未知數。如果其中一個部分必須被弄回室溫環境來修理，那將會花上幾個月的時間。

四個實驗組也有各自要完成的漫長步驟，在粒子束任務開始前必須完工。某些特別脆弱易損毀的組件還在安裝中，例如大型強子對撞機的頂點定位偵測器就是2010年11月安裝的。在參觀的過程中，我詫異于上千條茂密的纜線，這些纜線用來傳遞偵測器上所有渠道的數據，每條纜線都有標示，一一裝配在正確的插槽，由許多學生測試。

雖然還要再等幾個月才會開始粒子束對撞，有些學生以及博士后研究員已經在處理真實的數據了。宇宙射線穿越佛朗哥—瑞士巖石時，偶爾會穿越他們的偵測器。察看偵測器對這些闖入者的反應，等于是一項重要的實地檢驗，看看從電壓供應器到偵測器本身，再輸出到數據擷取軟件的電子線路，是否都能做出正確反應。

萬事已具備

當所有東西同時運轉起來，粒子束也開始在每個偵測器的中央對撞時，偵測器以及數據處理系統所面臨的任務將會至為艱難。在設計的亮度下，每次針狀質子團塊互相穿過時，將產生多達20個事件，而二次穿過的時間間隔通常僅有25納秒。某一次互相穿過所飛濺出來的粒子，在下一次互相穿過發生時，都還正在經過偵測器的較外層。偵測器的每一層都會在不同種類的粒子穿越時，于個別組件上做出適當的反應。每一個事件將產生1兆位（1Mb）的數據量，從偵測器的上百萬條渠道傳輸出來。換言之，每2秒就會產生10億兆位（等于1Pb）的資料。

科學家必須想辦法將這些洪水般的數據量降低到可以處理的比例，負責這項工作的觸發系統分為幾個層級。第一個層級負責收集并分析從所有偵測器各部位來的數據的一小部分，并且從中挑選出看起來有希望的事件，例如有一個高能量的緲子從粒子束軸線中以大角度偏離飛出。這些被稱為第一層的觸發將會由數百個專用的計算機群執行，它們每秒將會選取10萬組數據，以提供給下一個更高層級的觸發做更仔細的分析。

相對的，更高層級的觸發將會從偵測器的上百萬個渠道收集所有的數據，它會在計算機農場中執行軟件。由第一層觸發認可的數據組之間，平均的間隔為10微秒，而這段時間足以重建每個事件。換句話說，它可以把每次事件產生的粒子軌跡追溯回至原點，并形成一組能量、動量、軌跡等協調一致的數據。