其他
举世瞩目的粒子对撞机，原来是在掷骰子？
Harry Cliff
剑桥大学、欧洲核子研究中心粒子物理学家
※全文3553字 | 5分钟阅读※翻译＆整理 | 邱施运※编辑 | 朱珍
欧洲核子研究中心，简称CERN，位于瑞士日内瓦，是世界最重要的粒子物理学实验室。
黄线标示的，是备受世界瞩目的大型强子对撞机（Large Hadron Collider；LHC）；但在地表上你不会看见相关的建筑和设备，因为LHC实际上是一个埋在地下100米的环状隧道，全长27公里，全程穿越瑞法边界四次。
来自中、美、欧、俄等世界各地的粒子物理学家、计算机科学家、工程师聚在这里，联手进行一系列任何一个国家都无法独立完成的科学实验。
说起来，CERN的研究方向其实极其浅显而纯粹，就是了解这个世界由什么构成，而这些成分又如何组成各种我们已知的物质，比如不同的原子以及其他更复杂的结构。
已知的粒子•标准模型
地球上的每一种物质，都由原子组成。
原子长什么样呢？其实就是一个极小的原子核，周边环绕着一团电子云。
这些电子云，决定了原子的化学特性。而原子核里住着质子和中子，其中中子协助原子核保持稳定。
1960年代以前，科学家以为电子、质子和中子是构成物质最基础的粒子；但后来发现，质子和中子实际上由更基础的粒子——上、下夸克所组成。
经过对物质结构多年的了解，科学家提炼出了粒子物理学的标准模型。这是一个异常简单，却特别美丽的模型。
根据这个模型，电子和上下夸克通过各种组合方式，基本形成了宇宙里所有的正常物质。
不过在这基础之上，还要加上中微子，俗称幽灵粒子。它不带电而且非常轻。实际上，每秒有数以亿计的中微子正穿透着我们，但因为它们和正常物质之间没什么反应，所以我们没有任何知觉。
上图第一列是我们认识的第一代粒子。
除此之外，实验中（透过宇宙射线以及对撞机）我们还发现了与第一代完全对应，特性几乎一样，但质量较大且不稳定的第二代粒子，我们称之为奇异粒子。比如μ子，质量约为电子的200倍。其它特性如电荷、自转、反应都别无二致。
除了第二代，甚至还有质量更大、更不稳定的第三代粒子——至于为什么粒子会存在这两代加重版的副本，科学家仍在探索中。
此外，还有一组传递力的粒子。
在标准模型（不包含引力）里，电磁力（负责电、磁、光、X射线等现象）由光子传递；强核力（负责把夸克粘起来）由胶子传递；弱核力（负责粒子的转化与裂变）则由W玻色子、Z玻色子传递。
最后一种粒子，则是八年前CERN发现、万众瞩目的希格斯玻色子。宇宙里所有物质的存在和生成，都与这个粒子有关。
这个模型集合了我们这一刻对宇宙成分的了解。但显然，它还不是终点。
比如，我们对恒星、星系运行的大量天文观测都显示宇宙间存在着一种“隐形”、不和光互动的暗物质，而且比我们已知的正常物质还多上五六倍。暗物质不是标准模型所能解释的，所以这个模型里必然还有缺失的碎片。
这也正是CERN实验的主要目的——探寻新的粒子，或者发现关于粒子的新现象，为其他更大的问题提供线索。
未知的粒子•实验原理
寻找新粒子的方式，主要是通过LHC大型强子对撞机进行实验。顾名思义，就是把粒子撞在一起。
LHC有个昵称：原子粉碎者。这无形中给了人们一种印象，LHC是通过把粒子砸碎来查看它们的成分。但其实这并非LHC真正的意义，LHC真正做的，是用能量制造粒子。
大致的原理是把两个粒子加速到接近光速，高速意味着高能（动能）。当这些高能粒子碰撞在一起，它们携带的能量会转化成质量（著名的爱因斯坦方程：E=mc2 ）。能量越大，有机会产生的粒子就越重越多，发现不同物质的几率也越高，比如暗物质。
加速
首先，氢气在电磁场下离子化（氢分子中的氢原子分离，并失去电子）。
接着，这些质子经过一系列的加速器，进入全长7公里的超级质子同步加速器（Super Proton Synchroton；SPS）。在1980年代，SPS曾是CERN最强力的粒子加速器，而如今它扮演的角色更像是一个高速公路入口，把粒子滑入更强大的LHC进行加速。
抵达LHC的，是两束相反方向的粒子，一束顺时针、一束逆时针。
有趣的是，在LHC长达27公里的管道里，真正负责加速的，仅是当中约30米的一小段，我们称作加速腔；其余部分只是作为跑道（简单的“跑道”也有很强大的技术支持，敬请关注公众号后续推文），让粒子一次次绕回原地经历加速，直到它达到它最大的速度，约99.999991%光速。
这个加速腔就像是一个金属盒，盒子内部设置着快速来回振荡的200万伏特电场。当粒子靠近加速腔，电场对它产生吸引力；当粒子离开加速腔，电场再反转，把它排斥出去。如此一拉一推，对粒子进行加速。
对撞与探测
LHC里，有四个主要的对撞实验点，分别是LHCb、ATLAS、ALICE及CMS。在这些位置设有大型探测仪器，负责拍摄和记录这些碰撞的细节信息。
CMS、ATLAS和ALICE的探测器，造型上相当特殊诡异，颇像电影里的星际之门，并且规模非常大，如CMS，高达15米、长达25米，重达14000吨；ATLAS则更为巨大，25米高、45米长。
在这个油桶状结构的中心，高能粒子进行碰撞，而周围一层层的同心圆仪器则负责记录下各种不同的信息，从而得出不同粒子的历史轨迹。
第一层是跟踪器，一般由硅等半导体制成。带电的粒子穿过时留下微小的电信号，成为粒子前进去向的证据。
第二层是量能器，本质上是探测器里高密度的部分，作用在于吸收粒子所有的能量，使之停下来。通常情况下，当粒子撞击量能器，它们会释放出大量的光。记录下这些光的能量，也能反过来推导出粒子的能量。
第三层是超导螺线管，目的在于产生强大的磁场覆盖探测器整体的空间，使带电粒子在移动中拐弯。拐弯的方向，能告诉我们粒子带正或负电（或不带电）；而拐弯的曲率，则能告诉我们粒子的动量（动量=质量×速度），动量越高，曲线越直。
最边缘的一层是μ子谱仪，负责检测μ子，即前面提到的加重版的电子。因为它们很重，同时不与强核力相互作用，它们实际上可以穿透前面几层，直到探测器的边缘。
相比于CMS、ATLAS和ALICE（一层层同心圆的桶型），LHCb由一层层线性层组成的片状探测器，沿着粒子的前进方向而设。但整体上，这些探测器的运作原则类似，尽管其中一些探测器安装了额外的子探测仪。
将这些资料信息汇总起来，我们就能重建出这些粒子对撞的三维图像。
储存和分析
粒子物理学家的任务，就是浏览这些数据和图像，从中找到新的线索或证据。
但在一个实验里，每一秒进行着约1400万次的对撞。之所以制造如此大量的碰撞，是因为我们要寻找的结果非常罕见。这就像是掷一个百万个面的骰子，其中只有一两面是我们感兴趣的。
如果把各个实验点的碰撞都加起来，这可达每秒10亿次，相对于每秒1000TB（注：计算机里的字节单位，1TB=1024GB）的数据。LHC每年从四月一直运作至十二月圣诞前夕，每周7天、每天20小时，一年下来的总量更是达到10ZB（1ZB=10244GB），根本记录不了。
在这些海量信息中，科学家必须根据感兴趣的事件编写一些算法，我们称作触发机制，把不重要的事件过滤掉，留下满足条件的数据进行研究和查看。
如此一来，一年10ZB的数据能有效缩减到30000TB。但即便如此，这对于CERN计算中心仍然是海量的数据，不可能由单一中心处理。
所以，一个全球分布式计算系统——Worldwide LHC Computing Grid（WLCG）结合了42个国家、170多个地点的逾900000台计算机，充当一台巨型超级计算机，供科学家实时储存及分析LHC的资料。
其中一个最普遍的分析方法，是将数据绘制成图表，从图表中的异常捕捉新的未知现象。
比如2012年，粒子物理学家从CMS和ATLAS在同一个地点和时刻发现了数据上某个不寻常的拐点。经过一系列研究，我们证实了它就是希格斯玻色子。
无尽的好奇•未来计划
从1950年代开始，CERN持续地放眼更强大、更宏伟的粒子加速器。因为更大的加速器，意味着更高的能量，以及更多有趣的新现象。
几个月前，CERN刚宣布了下一代对撞机的建设计划，称作未来环状对撞机（Future Circular Collider ；FCC），全长100公里，基本覆盖了阿尔卑斯山及汝拉山脉之间的整个日内瓦盆地。在它面前，LHC顿时显得微小了。
这项目一旦确定，它将需要几十年的时间规划与落实。届时，或许我们可以再齐聚一堂，对FCC做一次深入的虚拟探访。
推荐阅读
1 | |
2 | |
3 | |
4 | |
5 |
点击阅读原文，加入高山大学，与全球科学家一起探索科学的乐趣。