【親歷“世界最大科學實驗”】 之 加速器

加速器：離光速最近之地

“讓粒子束飛”

CERN主樓前的咖啡店。天氣好的時候，科學家們總喜歡坐在這里聊工作，旁邊是一節象征性的藍色加速器管道標志，上寫：“加速·科學”。

透過兩扇緊閉的玻璃門，隱約可以看到一個不起眼的紅色小瓶，上面標著不起眼的“H2”字樣。旁邊墻上的黃色標識就比較引人注意了：“注意！危險！100千伏！”世界上沒幾個人能接近這個小瓶，再往前走就會看到“禁止進入”的標牌、深入地下的電梯，以及一般公眾只能在好萊塢大片里才能見到的虹膜掃描儀。

這是LHC加速器入口。它是所有物理學家全情依賴的“粒子提供者”，長達27千米：目前世界上能量最高的加速器、世界上最大的超導磁鐵用戶、世界上最大的制冷機……然而，其最核心的部分卻只是兩根幾厘米寬的管道，管道內的物質則更小。它們全部來自于那個紅色小瓶里的氫。

粒子束
14只蚊子一起飛

這個紅色小瓶是一切的開始。氫原子的原子核內只有一個質子，還有一個電子圍繞著它旋轉。紅色小瓶中帶有一個強大的電荷“剝離器”，先將氫原子核和電子分離，然后去除電子，只留下質子。這些質子將成為幾十年中加速運動和無數科學實驗的主角。

質子必須在多個小型加速器中反復加速，最后才進入最大的環形加速器。LHC的營造者歐洲粒子物理研究所（CERN）從半世紀前就開始建造的各種“元老級” 加速器都被利用了起來，成為連鎖發射器。質子先在一個電場里呼嘯而過，在進入直線加速器之前，就已經達到了每秒4000千米的速度。此后，粒子們先后駛過多個環形的加速器，一層接一層地加速。最終，幾十億個粒子以成團形式分兩個方向正式登場，進入最后的大加速器，其速度達到光速的99.99%。每個粒子束以3000個“團”的形式飛馳，兩個束相向而飛，每團粒子的數量達到1000億。

粒子的能量可以通過加速取得。在粒子物理學中，粒子的能量是用電子伏特來表示的。一個電荷為1的粒子在一個1伏特電壓中加速后會獲得一個電子伏特的能量。在LHC 中，粒子速度接近光速，每個粒子束將達到7萬億電子伏特，術語稱為“TeV”。在宏觀世界中，這個能量非常小，只相當于1只飛行的蚊子產生的動能。當兩個粒子對撞的時候，則會產生總能量為14TeV的能量，也就是14只飛行的蚊子的動能之和。盡管如此，它還是世界上能量最大的加速器。

“按照目前理論科學家的計算，粒子對撞產生的14TeV的能量，就在希格斯子出現的能量范圍內。幸運的話，人類將可以找到希格斯子。”在CERN工作10多年的南京大學教授祁鳴說。

控制室
充滿喜怒哀樂的地方

加速器中心控制室約有小禮堂大小，四個工作角里，電腦屏幕像墻一樣疊起來，一些人緊盯屏幕，一些椅子空著，一些人則用法語或英語在交流。此時，一人手持圖表匆匆走進，幾個人從四個方向聚了過來，神色凝重。“這可能是束流損失。”低語中漏出來這么一句。

卷著白襯衫袖子的保羅（Paul Collier）過去看了一下，總結道“并不是很嚴重”。這名行事干練，在CERN工作20多年的英國人從兩年前開始任質子束部主任，如果把加速器比喻成火箭的話，保羅手下的400人就像是坐在火箭座艙內，駕駛著粒子束前進。LHC由一組加速器和四個主探測器組成。“我們像是供應商，給做實驗的科學家客戶們提供粒子束。”保羅笑道。當天早上，出于檢修目的，粒子束沒有運行，沒有粒子的時候，物理學家所做的也只能是等待。

兩個粒子之間碰到的幾率是很低的。2000億個粒子可能只產生20次相撞。全球的粒子物理學家都在尋找希格斯子，但是方法不一樣，物理學家會把找到希格斯子比喻成“彩票中獎”，大部分的加速器都是在較為低的能區做無限次地粒子碰撞，中獎的概率相當低。而CERN則采取了另一個策略———提高碰撞的強度，這需要對整個加速器和探測器進行設備更新，需要更強大的超導磁鐵，更精細的探測器，這意味著非常多的資金和好幾年的更新維修。

2008 年，LHC開始進行質子對撞。大家都抱著極大的期望，媒體宣傳也是鋪天蓋地。當開啟加速器運行的那個時刻，這兒的所有人都在鼓掌。可打擊隨即出現。運行不到一周，LHC便發生了嚴重事故。一小段超導磁鐵接觸不良，在高電流通過的情況下造成損毀，導致40多塊磁鐵需要更換。這么一個小事故，使得整個實驗停頓下來，此后的整整一年，物理學家幾乎無事可做，唯一能做的就是等待工程師修復加速器了。

“那是我們所有人最難熬的時間。我們以為一切都在控制之中了，但的確災難性的問題發生了。”回憶當時，保羅的表情變得嚴肅起來，“我們吸收了很多經驗，我們修復了問題，重新設計了安全控制系統，最重要的是，我們意識到LHC的力量。我們應該尊重粒子束。這次事故給了我們哲學，讓我們變得異常仔細。”

增能法
或更大，或更強

“要想提高環形加速器中粒子的能量，有兩個方法。”保羅介紹，和人駕車一樣，總是偏向于直線，如果要轉彎則需要外力，粒子也是一樣，總是沿直線前進，如果要讓粒子打轉，在環形加速器中加速，則需要特定的磁場來引導其轉彎。另一個方法，就是增加距離，在更大的加速器中，粒子飛行長度越遠，增加的能量也越大。

人類沒法打造一個銀河般大小的加速器，在地球上，因為對撞時粒子衰變產生了輕度的輻射，加速器必須建在地下，用巖石來阻隔輻射。而挖隧道卻是非常昂貴的，這就是為什么美國的項目花費會失去了控制。LHC的優勢在于，CERN從上世紀50年代便開始建造諸多的加速器。他們有著現成的隧道可以用。但要提高粒子的能量，唯一的辦法就是提高超導磁鐵的性能，因為粒子飛行能量越大，就越需要強大的超導磁鐵來引導其轉彎。LHC目前有6000多塊磁鐵，是世界上最大的超導磁鐵使用者。超導磁鐵必須冷卻，這個加速器也是世界上最大的“制冷機”。

“我們接下來還要增加2TeV，粒子能量的增加意味著磁鐵超導性能也需增加。這給我們的挑戰就是，要推動現有的技術進步。”保羅說。目前，LHC已經在使用世界上最好的超導技術了，但是如果要進一步提高能量，則需要推動工業里的技術再進一步提高。

現在，也有人在談論，環形加速器之后的下一代，可能是直線加速器。目前，包括中國在內很多國家都在構想下一代的大型加速器。CERN內部也有著同樣的構想。保羅介紹說，和環形加速器相比，直線加速器的優勢在于，不需要超導磁鐵來引導粒子轉彎，不會出現很大的粒子束損耗，但它沒法像環形加速器一樣反復地加速，慢慢地達到很高能量，而是必須在很短時間內就達到高能。

飛行環境
“一無所有”

“歡迎來到測試房。”法國人盧卡（Luca Bottura）微笑著對記者說，他遞給了記者一小條“折”成花狀的磁鐵。在布滿氮氣管，加速器管道、高壓電伏設備，滿是“滋滋”電焊聲的測試房中，他向記者介紹了傳說中的超導磁鐵等地下實驗裝置。

一個正待測試的加速器管道橫截面展示了秘密：圓形軌道由磁偶極包圍。磁偶極相當于一個封閉的電流環流，兩端電荷電量相當，正負相反，因此產生電流環流。在其作用下，粒子會發生偏轉。這些磁偶極由極細的超導金屬線纏繞而成，每根都僅有人類頭發十分之一之細。所有的磁偶極都必須極其精確地纏繞，只要一點點錯位，就會導致熱量的損耗，出現故障。這些磁鐵也是整個LHC造價中最昂貴的部分，達到了總造價的20%到25%。

這些磁鐵原本是普通的磁鐵，但是在極低溫下，會變成強大的超導磁鐵，產生強大的吸力。不過，超導只能在極其低溫的環境下實現。因此，在兩個粒子束軌道上方，還設有一個液態氦管道。LHC使用了130噸的氦。液氦在-271℃的溫度下，會呈現出帶特殊性能的超流態。這僅與絕對零度相差兩度。

每立方米的空氣平均含有3*10^21個原子。如果軌道中有空氣，那么這些原子也會影響粒子的穿梭。因此，需要將軌道中抽成真空。盧卡說，在此狀態下，總提及11萬立方米的加速器管道中，只有1億個左右的原子。這就相當于把地球上一兆億個螞蟻抽空，只剩下1000個左右。

這樣低溫、幾近真空的環境，讓粒子可以隨意飛行，但也使得技術人員無法隨意打開管道———因為每次打開管道，就意味著需要花大量時間升到常溫，然后再降溫，抽取空氣。萬一管道被堵塞了該怎么辦呢？“有一些極其聰明的天才們想出了一個方法，把一個帶電的乒乓球打進加速器，把堵塞物打開，如果也堵住了，再打進一個乒乓球，把前面一個乒乓球打掉，同時也開通了道路。”盧卡笑著說，“我想這是LHC有史以來第一個對撞。”

【新知補丁】