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LHC重启倒计时

时间: 2015年03月30日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
经过两年的休整,大型强子对撞机(LHC)即将重启,物理学家准备通过新的实验,在物理学的标准模型之外获得突破。
 

迈克·拉蒙特(Mike Lamont)抓起桌上最后一个牛角面包,边吃边穿过欧洲核子研究中心(CERN)的控制大厅。CERN是欧洲的粒子物理学实验室,坐落于瑞士日内瓦郊外。这时已到了上午十点,控制大厅里挤满了物理学家,他们正紧盯着房间内的电脑屏幕。拉蒙特是CERN束流部门的运行主管,他解释说,他们正在进行一些测试,以保证电脑出现意外故障时,不会对大型强子对撞机(LHC)的电子器件、真空管道和超导磁铁造成影响。LHC是世界上最强大的粒子加速器。

 

在LHC的休整期,拉蒙特和同事需要进行大量的测试,这只是其中一项。这次大休整开始于2013年3月,现在已接近尾声。目前正在进行的工作是,将加速器中27千米长的超导体磁铁环冷却,为2015年加速器的重启做准备。而一旦LHC重新投入运行,两束质子束流会在圆环轨道中相向运动,拉蒙特和同事就要拼尽全力,让质子束能量逼近其设计能量:每束7万亿电子伏特(TeV, 1012 eV),这几乎是LHC此前运行能量的两倍。每束质子束流都满载着相当于一辆飞驰火车的巨大能量。

 

拉蒙特非常清楚,一旦出现意外将会产生怎样严重的后果。他曾经历2008年9月的那次事故:当时该团队最后一次尝试,将这台耗资50亿美元的对撞机的运行能量提高到设计能量,结果却导致电子设备故障,从而中断运行达1年多的时间,最后花费了数千万美元的维修费用才修好。   

 

“自那之后,我们对这台机器有了更多了解,”拉蒙特说道。研究人员设法对其修理,并在2009年末让它重新运行了起来。为了避免设备再次“罢工”,研究人员将其运行能量设定为设计值的一半。尽管如此,得到的质子束流能量已足够高,通过高能质子束的碰撞,获得了大家追寻已久的可以证明希格斯玻色子(Higgs boson)存在的决定性证据。建立已有40年之久的粒子物理标准模型(standard model)是现代物理学的基本理论之一,希格斯玻色子是该模型中最后一个未经证实的预言。 

 

2012年7月,科学家宣布发现希格斯玻色子,2013年的诺贝尔物理学奖就颁给了首次预言这种粒子存在的理论物理学家。面对所有的欢呼与喝彩,LHC的物理学家并未满足于此,他们希望能从再度起航的加速器中获取更多信息。新发现的希格斯粒子是否如标准模型预言的那样,是唯一的该类粒子,还是只是希格斯粒子家族中最轻的成员?如果存在更多的希格斯粒子,它们有些可能就会在更高能量的碰撞中现身。高能量碰撞还有可能产生一些连标准模型都未能预见的、更为奇异的新粒子。

 

理论物理学家对这类奇异粒子的预言已经持续了数十年。20世纪70年代早期提出的超对称(supersymmetry)理论,是标准模型的扩展理论,该理论认为,每个粒子都有一个更重的超对称粒子(sparticle),或称超伴子,而理论上,普通粒子与其超伴子之间存在可以判别的差异。暗物质可能是由这些粒子中的一种或几种构成的。暗物质虽然看不到,但其质量非常大,可以操控星系运动,但标准模型却对它只字未提。假如这些粒子的质量不是太大, 不超过LHC的最高设计能量,那么寻找这些粒子就是加速器重启后的主要目标之一。甚至还有可能得到更奇怪的结果,例如发现3维空间之外的更高空间维度的蛛丝马迹。但首先,莱蒙特和他的团队要让LHC能够全力运转起来。

 

冷却巨型磁铁

从控制中心开车出发,行驶不久,莱蒙特就到达了目的地。他带上头盔,穿上包裹着金属的靴子,背上应急呼吸设备,走进了一部能够直达地下100米深处的电梯。电梯出口正对一条维护通道,从那再走一小段路程,就能到达LHC的隧道。 

 

莱蒙特说,即使已经在CERN待了25个年头,对这台仪器的威力和复杂性,他仍然怀有敬畏。这里与控制室那种平静的氛围完全不同,LHC嗡嗡作响,咔嚓声、嘶鸣声不断响起,隧道里充斥着金属、灰尘和炽热电路的气味。重型千斤顶将多块15米长、35吨重的磁铁,从混凝土地面上抬起,磁铁中塞满了错综复杂的线材和管路,这些线材和管路包裹着密封的束流管道从磁铁中心穿过。为了避免再次短路,研究人员为LHC装备了各种传感器和数千千米的电缆,哪怕是最微弱的电压起伏,都能被侦测到。更关键的是,连接这些磁铁的10 000个超导连接器都已经得到了加强或替换,光这一项任务,250多位工作人员用了一年多时间才完成。 

 

2014年6月起,莱蒙特团队开始冷却磁铁,他们要将磁铁冷却至最终的运行温度:1.9K。在这个温度下,用以产生磁场的载流电缆会进入超导状态。为了让整个降温过程可控,LHC的加速环被划分成8个部分,每部分都可以单独冷却,而每部分需要花费两个月时间。一旦所有磁铁都冷却下来,就可以进行电气测试,确保磁铁在高能量状态下正常运行。莱蒙特清楚,事情不可能一帆风顺。有一批磁铁在地面上测试时表现得十分完美,但由于某种原因,当其产生的磁场相当于产生6.5TeV的束流时,这些磁铁就失去了超导性。这算不上灾难,修复这样的磁铁只需让它们循环多运行几次,直到稳定下来进入正常状态。但这需要时间,莱蒙特说道,“更何况有几百个这样令人讨厌的家伙”。 

 

无论如何,质子束都将被再次注入LHC,这将是一起划时代的事件,目前研究人员将这一时间设定在2015年3月。在那之后,再经过几周测试,物理学家会开始操控束流进行碰撞,然后确认探测器是否安全,之后就可以开始搜集数据了。 

 

隧道里飘浮着一种淡淡的烧焦的气味。莱蒙特解释说,这是在加热真空管道,从而驱散其中的分子。他走过几块磁铁,来到一面巨大的铜钢金属墙面前,裸露的束流管在这里穿墙而过。墙的另一边就是ATLAS,LHC四台主要粒子探测器之一(见“休整后的环形轨道”)。很快,一束束高能质子就会从这里呼啸而过,飞向ATLAS,它们将在那里猛烈撞击,并向其他方向偏折,碰撞残骸也会通探测器向外喷射。

 

升级探测器

在LHC环形轨道的另一侧、离ATLAS大约8.5千米的地方,蒂齐亚诺·坎波雷西(Tiziano Camporesi)抬头凝视着12 500吨的紧凑µ子线圈(Compact Muon Solenoid,CMS),30年前设计它的那些物理学家,其胆魄令坎波雷西惊叹不已。“他们一定是群疯子,”坎波雷西说道。CMS是一个巨大的圆柱,里面有大量的粒子硅探测器、超导磁铁和约束磁场用的厚重钢铁。很多人宣称这台装置太过复杂,根本无法运行,但它不但运行了起来,“而且远超我们的预期,”坎波雷西说道。正是CMS和ATLAS在2012年确认了希格斯玻色子的存在。

 

2014年初,坎波雷西被选为CMS的发言人,代表在使用该探测器进行合作研究的3 800位科学家。眼下,他正在为LHC的重新运行做协调工作。像LHC所有主要探测器(包括位于其他位置的更为复杂的ALICE和LHCb探测器)的实验团队一样,他的团队已经在中断期内对CMS进行了一些必要的维修和升级。他们得到了幸运女神的眷顾:在CMS探测器的中心区域,也就是束流交汇以及新粒子从碰撞点喷涌而出的位置,敏感的硅示踪器没有受到辐射损伤,可以继续使用。但是,CMS的物理学家还是换掉了一些失效的光电倍增管,它们会产生虚假信号,显示产生了一个新的奇异粒子,但事实上,这个粒子并不存在。

 

 

坎波雷西尤其对在CMS末端新增的四个碟形腔感到自豪,它们能够增强CMS对μ子(muon)的探测能力。这项升级最终能提升探测器的“触发器”水平,也就是一连串电子设备及软件,它们可以引导碰撞后产生的粒子喷流通过探测器,并在粒子喷流中搜寻特定模式,然后判断其中是否有值得进一步研究的东西。但LHC下一次运行时,不仅束流能量会提高,其中携带的质子数目也将增加。最终,在CMS中每秒将发生10亿到20亿次碰撞。也就是说,当上一次碰撞产生的微粒还在奔向探测器的途中时,身后已经又发生了50次新的碰撞。触发器需要对这么多事件进行分析和判断,哪些信息值得存储下来,以备后续研究。研究人员的目标是,将触发器记录信息的频率降低到每秒几百次,“这项工作现在占用了我们大量时间,”坎波雷西解释道。

 

浩如星海的数据

重新休整的LHC一旦开始运行,CMS和其他探测器上获得的原初电子信号,将直接汇集到CERN大本营,然后通过光纤传递到计算机中心。那是一间密不透风、没有窗户的房间,布满了密密麻麻的机架,那里一共装配有约10万台处理器,散热风扇呼呼作响,控制着房间温度。

 

这些处理器将用算法分析汇集而来的数据,判断每个从碰撞中喷射出来的粒子的特性、能量和其去向。分析结果将存储在磁带上,比起数字存储方式,这种老式的存储介质更便宜、储存时间更久。 

 

但是,只是将信息存储起来,已经远远不能满足研究人员对实验结果近乎“贪婪”的胃口了。今天的粒子物理学家将大部分时间用在了编写计算机代码上,他们编写了成千上万行代码,用于在数百万个事件中搜寻不同寻常的信号。为了将数据传递至这些研究人员手中,CERN搭建起了一个全球计算网格(Worldwide Computing Grid),计算机中心将数据备份下发到分布在全球的13个“1级”电脑中心,然后再由1级节点下发至150个规模小一些的2级节点,大部分2级节点都设在大学中。

 

幸运的是,对终端用户而言,他们无需为这些细节操心,只要将程序上传到网格上,指定要检查哪些碰撞事件即可。网格软件会自动将任务分配给有足够计算能力和存储空间的中心,计算结束后再将结果返回。我们到访的这天,在CERN的电脑中心,实时大屏幕上就显示,单在CERN就有10 500个程序正在运行,CERN仅占网格资源的6%而已。作为英国网格协调员,剑桥大学的物理学家杰里米·科尔斯(Jeremy Coles)说,要没有网格,他的同事可能还在如大海捞针般寻找希格斯玻色子。

 

在科尔斯看来,未来的挑战是,如何处理即将到来的浩如星海的数据。在LHC的第一次运行期间,尽管探测器的触发器已经过滤掉了大部分数据,但数据还是以每年15拍字节[petabyte,1拍字节(PB)=210太字节(TB)=220吉字节(GB)=230兆字节(MB)]的速度累积,这比每年上传到YouTube上的视频总量还要多。而当LHC在2015年重启时,加倍的碰撞率将每年产生大约30PB的数据,几乎相当于每秒产生1GB的数据。 

 

全球计算网格是否有能力应对数据的激增,科尔斯对此抱有信心。这不仅是因为技术上的进步让各计算中心之间的集成度更高,而且“在过去的10年,网络的传输速度已经大大提升,”他补充道。比如在2013年,在受到现有空间和能耗限制之下,他们通过两根传输速率高达每秒100G的光纤,将位于布达佩斯的设备连接进来,扩充了CERN数据中心的处理能力。科尔斯说,从运行上看,布达佩斯的设备和放置在隔壁的设备没什么区别。

 

但数据暴涨不会就此止步,计划中的对LHC的各项升级工作,将会使LHC产生的数据量继续增长,2020年初将达到每年110PB,最终将到达每年400PB。“我们现在还无法处理这么多数据,”科尔斯感叹道。更糟糕的是,计算机芯片的运行速度正在进入平台期,目前最好的商用芯片通常会使用2个、4个或8个处理器来提高运行能力,未来的芯片可能会有更多处理器,但LHC上的代码只能在单处理器上运行。要让代码在这么多处理器上并行运行,要将约150万行代码重新编写,这需要数千人花费数年时间才能完成。  

 

在20世纪80年代末,当CERN的物理学家需要一个更好的方式来分享数据时,他们发明了互联网(W W W),而在上世纪90年代,当他们需要一种更好的方式来访问计算机存储资源时,又发明了世界上最大的计算机网格。因此对于上述问题,LHC的科学家似乎也应有信心解决。

 

在谈及“下一代大型加速器”时,莱蒙特看上去也有着同样的信心。尽管CERN才刚庆祝完60周岁生日,而LHC也还有20年时间来进行质子碰撞,但实验室已经开始探索建设80~100千米左右的加速器的可行性了,那将会进一步深入探索物质的结构。莱蒙特同时也指出,LHC虽然在2008年才开始第一次运行,但实际上,早在1984年,研究人员就开始规划了,因此,“我们现在必须开始考虑下一代加速器的事情了”。

 

本文作者 马修·查默斯是英国布里斯托尔的自由科学撰稿人。

 

(撰文 马修·查默斯(Matthew Chalmers)  翻译 庞玮)

 

本文来自《环球科学》2015年第1期,转载请注明出处。

 

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