欧洲大型强子对撞机2015年3月将重启
当LHC恢复运行后，循环的成对质子光束以不同的方向在环中运行，并将获得设计的每束7万亿电子伏（TeV）的能量。
图片来源：Andy Potts
Mike Lamont抓起桌子上最后一块羊角面包，边吃边走过欧洲核子研究中心（CERN）控制中心。现在是中午，巨大的蓝色房间里挤满了盯着计算机屏幕的物理学家。作为CERN光束部门的运行经理，Lamont解释道，他们在进行运行测试，以确保意外的计算机电力中断不会影响电网、真空管和超导磁铁，它们组成了CERN的大型强子对撞机（LHC），这是世界上最强大的粒子加速器。
这是能让Lamont和同事在晚上睡个好觉的诸多检查中的一个。他们已经接近完成一个主要的翻新工作，该工作始于去年3月。他们已经开始冷却加速器27公里长的超导磁铁环，为明年的重新启动作准备。但当LHC恢复运行后，循环的成对质子光束以不同的方向在环中运行，Lamont和同事将推动其获得设计的每束7万亿电子伏（TeV）的能量。
Lamont清楚地知道一旦出现错误，将会发生什么。2008年9月，该研究小组尝试倾斜升温这台耗资50亿美元的对撞机到这一能量数字，但最终导致漏电，致使该设备1年多无法使用，并花费了数千万美元进行修理。
“从那时起，我们学到了有关这台机器的很多事情。”Lamont说。研究人员设法修理了这台机器，并在2009年年底重新启动，但他们仅以设计功率的一半运行LHC，以避免再次停工。不过，这也足以碰撞出科学家长期寻找的希格斯玻色子的决定性证据。
LHC物理学家希望从该机器的运行中获得更多东西。新发现的希格斯玻色子是唯一的此类粒子，还是仅是整个家族中最轻的成员？或许高能量将产生其他未被纳入标准模型的新奇异粒子。
数十年来，理论学家一直在预测这种粒子的存在。寻找超对称性粒子将是这台重新启动的机器的主要目标。甚至还有可能出现更特殊的结果，例如超越常见的三维空间维度。但一切的前提是，Lamont和同事能让LHC全功率运转。
滴答声和嘶嘶声
走出控制中心，Lamont戴上头盔、穿上过膝靴子和应急呼吸器，然后走进电梯，降入100米的地下。电梯门在服务走廊中打开，从这里有一条通道通向LHC隧道，隧道里，一连串圆柱形、亮蓝色的磁铁弯曲着伸向远方。
即便已经在这里工作了25年，Lamont说自己依然对这台复杂的机器保持着敬畏。LHC能发出嗡嗡声、滴答声和嘶嘶声，并且它的隧道有金属、尘埃和温暖电路的味道。这个15米长、35吨重的磁铁被千斤顶从混凝土地板上撑起，里面塞满了错综复杂的电线和管道，这些包围着穿过其中心的密闭的束流管。
为了避免另一次短路，LHC装配了传感器和数千米长的电缆，以探测电泳最微弱的信号。至关重要的是，连接磁铁的1万个超导连接器被加强或取代——超过250个人用1年多时间才完成这项工作。
自6月开始，该研究小组已经将磁铁冷却到1.9开尔文的运行温度，在这一温度下，产生磁场的载流电缆会具有超导性。要保持这一过程易于管理，LHC环被分成8个部分，各部分能被单独冷却。一旦磁铁被冷冻，研究小组就会进行电测试，以确保它们能高功率运行。
Lamont已经知道，事情不会一帆风顺。在地上测试中，一批磁铁表现很好，但出于某些原因，“熄灭”或丧失了超导性。他表示，这不是灾难，但修理磁铁需要时间，“有数百个家伙！”
但最终，质子束将再次穿越LHC——目前计划时间为2015年3月。在那之后，还将进行数周测试，然后物理学家将开始指导光束进行碰撞，检验探测器是否能安全地收集数据。
隧道里出现模糊的烧焦味。Lamont解释道，真空管要加热到能赶走迷路的微粒。在另一侧，躺着LHC四个主要粒子探测器之一——ATLAS。很快，高能质子将被点燃穿过这里进入ATLAS。
系统升级
离开ATLAS约8.5公里后，LHC环的背面，Tiziano Camporesi抬头凝望着12500吨重的紧凑渺子线圈（CMS），并对30年前设计它的物理学家的大胆尝试感到惊讶。“他们一定是疯了。”他说。许多人声称这台机器太过复杂，无法运行。但它成功了，Camporesi说，并且“远好于我们的预期”。CMS和ATLAS正是2012年识别出希格斯玻色子的探测器。
作为CMS合作项目的发言人，Camporesi正在协调明年的高能运行活动。在LHC停顿期间，他的团队已经进行了一些必要的修理和升级工作。他们带来了好消息：在探测器的中心区域，光束在这里相交且新产生的粒子从碰撞点向外爆炸，敏感的硅追踪器完好地保存下来而未受辐射损伤。但CMS物理学家替换了几个产生错误结果的光电倍增管。
Camporesi尤其感到自豪的是，在每个碟形室的两端增加了CMS，以提高探测渺子的能力。这一升级将加强探测器的“触发器”，这是电子学和软件的结合物，监控穿过探测器的粒子流，并寻找未来值得研究的重要事件线索。Camporesi说，数十年来，物理学家一直在使用此类触发器。
但LHC的未来运行将不仅提高光束的能量，还将增加携带的质子数量。结果是，将在CMS内每秒发生10亿~20亿次碰撞。在这些事件中，触发器必须决定储存哪些数据用于未来研究。“这现在占用了我们的大部分时间。”Camporesi说。
大数据挑战
一旦整修一新的LHC重新运转，来自CMS和其他探测器的粗略电子信号将通过光纤回流到CERN主要园区。电缆与实验室的计算机中心直接相连。处理器将对输入数据进行分析，以确定每次碰撞产生的粒子的身份、能量和方向。结果将被保存在磁带里——这种老式的媒介比数字存储更便宜、更持久。
但是，仅仅存储信息无法满足研究人员的“胃口”。目前，物理学家花费大部分时间编写数千条计算机代码，从数百万次碰撞中寻找异常信号。为了满足需求，CERN建立了全球计算机网格。这些计算机中心与名为tier-2节点的150个小型计算机簇相连，这些计算机大部分为大学拥有。
对于终端用户而言幸运的是，他们不需要知道这些。一位物理学家只需要向网格递交项目，制定要检查的撞击事件。网格软件将自动连接控制中心，并传回需要的数据。如果不是这些网格，英国剑桥大学物理学家Jeremy Coles和同事可能现在还在寻找希格斯玻色子。
Coles表示，未来的挑战是处理极高的事件率。在LHC初次运行期间，尽管对探测器触发装置进行了大幅修整，但数据仍然以每年15兆字节的速度积累——大于YouTube网站每年上传的视频总和。当明年LHC重新启动时，加倍的碰撞数目将把这一速率提高到30兆字节。
Coles相信，该计算机网格能够应对这一增长，至少因为技术进步能让计算机中心更紧密。“在过去10年中，网络发展速度非常快，远超我们的想象。”他说。例如，去年，CERN通过两根电缆连接了位于匈牙利布达佩斯的设备，从而扩展了数据中心的能力。
但是，这里的数据不会停止。到本世纪20年代初，LHC的数据猛增产出能力将达110兆字节每年，最终将达400兆字节。“我们目前没有办法处理这些。”Coles说。而让问题更严重的还包括计算机芯片速度停滞不前。
无论如何，当上世纪80年代CERN物理学家需要更好的方法分享信息时，互联网出现了。90年代，当需要更好地访问计算机资源时，他们发明了世界上最大的计算机网格。因此，LHC的科学家有信心解决目前面临的问题。（张章）
《中国科学报》 (2014-10-15 第3版 国际)
