CERN的鳥瞰圖
黃線標(biāo)示的，是備受世界矚目的大型強子對撞機(Large Hadron Collider;LHC);但在地表上你不會看見相關(guān)的建筑和設(shè)備，因為LHC實際上是一個埋在地下100米的環(huán)狀隧道，全長27公里，全程穿越瑞法邊界四次。
來自中、美、歐、俄等世界各地的粒子物理學(xué)家、計算機科學(xué)家、工程師聚在這里，聯(lián)手進(jìn)行一系列任何一個國家都無法獨立完成的科學(xué)實驗。
說起來，CERN的研究方向其實極其淺顯而純粹，就是了解這個世界由什么構(gòu)成，而這些成分又如何組成各種我們已知的物質(zhì)，比如不同的原子以及其他更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
已知的粒子•標(biāo)準(zhǔn)模型
地球上的每一種物質(zhì)，都由原子組成。
原子長什么樣呢?其實就是一個極小的原子核，周邊環(huán)繞著一團(tuán)電子云。
這些電子云，決定了原子的化學(xué)特性。而原子核里住著質(zhì)子和中子，其中中子協(xié)助原子核保持穩(wěn)定。
1960年代以前，科學(xué)家以為電子、質(zhì)子和中子是構(gòu)成物質(zhì)最基礎(chǔ)的粒子;但后來發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子實際上由更基礎(chǔ)的粒子——上、下夸克所組成。
經(jīng)過對物質(zhì)結(jié)構(gòu)多年的了解，科學(xué)家提煉出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是一個異常簡單，卻特別美麗的模型。
根據(jù)這個模型，電子和上下夸克通過各種組合方式，基本形成了宇宙里所有的正常物質(zhì)。
不過在這基礎(chǔ)之上，還要加上中微子，俗稱幽靈粒子。它不帶電而且非常輕。實際上，每秒有數(shù)以億計的中微子正穿透著我們，但因為它們和正常物質(zhì)之間沒什么反應(yīng)，所以我們沒有任何知覺。
上圖第一列是我們認(rèn)識的第一代粒子。
除此之外，實驗中(透過宇宙射線以及對撞機)我們還發(fā)現(xiàn)了與第一代完全對應(yīng)，特性幾乎一樣，但質(zhì)量較大且不穩(wěn)定的第二代粒子，我們稱之為奇異粒子。比如μ子，質(zhì)量約為電子的200倍。其它特性如電荷、自轉(zhuǎn)、反應(yīng)都別無二致。
除了第二代，甚至還有質(zhì)量更大、更不穩(wěn)定的第三代粒子——至于為什么粒子會存在這兩代加重版的副本，科學(xué)家仍在探索中。
此外，還有一組傳遞力的粒子。
在標(biāo)準(zhǔn)模型(不包含引力)里，電磁力(負(fù)責(zé)電、磁、光、X射線等現(xiàn)象)由光子傳遞;強核力(負(fù)責(zé)把夸克粘起來)由膠子傳遞;弱核力(負(fù)責(zé)粒子的轉(zhuǎn)化與裂變)則由W玻色子、Z玻色子傳遞。
最后一種粒子，則是八年前CERN發(fā)現(xiàn)、萬眾矚目的希格斯玻色子。宇宙里所有物質(zhì)的存在和生成，都與這個粒子有關(guān)。
這個模型集合了我們這一刻對宇宙成分的了解。但顯然，它還不是終點。
比如，我們對恒星、星系運行的大量天文觀測都顯示宇宙間存在著一種“隱形”、不和光互動的暗物質(zhì)，而且比我們已知的正常物質(zhì)還多上五六倍。暗物質(zhì)不是標(biāo)準(zhǔn)模型所能解釋的，所以這個模型里必然還有缺失的碎片。
這也正是CERN實驗的主要目的——探尋新的粒子，或者發(fā)現(xiàn)關(guān)于粒子的新現(xiàn)象，為其他更大的問題提供線索。
未知的粒子•實驗原理
尋找新粒子的方式，主要是通過LHC大型強子對撞機進(jìn)行實驗。顧名思義，就是把粒子撞在一起。
LHC有個昵稱：原子粉碎者。這無形中給了人們一種印象，LHC是通過把粒子砸碎來查看它們的成分。但其實這并非LHC真正的意義，LHC真正做的，是用能量制造粒子。
大致的原理是把兩個粒子加速到接近光速，高速意味著高能(動能)。當(dāng)這些高能粒子碰撞在一起，它們攜帶的能量會轉(zhuǎn)化成質(zhì)量(著名的愛因斯坦方程：E=mc2 )。能量越大，有機會產(chǎn)生的粒子就越重越多，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)的幾率也越高，比如暗物質(zhì)。
加速
首先，氫氣在電磁場下離子化(氫分子中的氫原子分離，并失去電子)。
接著，這些質(zhì)子經(jīng)過一系列的加速器，進(jìn)入全長7公里的超級質(zhì)子同步加速器(Super Proton Synchroton;SPS)。在1980年代，SPS曾是CERN最強力的粒子加速器，而如今它扮演的角色更像是一個高速公路入口，把粒子滑入更強大的LHC進(jìn)行加速。
紅藍(lán)色顯示的是SPS，而綠色顯示的是LHC
抵達(dá)LHC的，是兩束相反方向的粒子，一束順時針、一束逆時針。
有趣的是，在LHC長達(dá)27公里的管道里，真正負(fù)責(zé)加速的，僅是當(dāng)中約30米的一小段，我們稱作加速腔;其余部分只是作為跑道(簡單的“跑道”也有很強大的技術(shù)支持，敬請關(guān)注公眾號后續(xù)推文)，讓粒子一次次繞回原地經(jīng)歷加速，直到它達(dá)到它最大的速度，約99.999991%光速。
這個加速腔就像是一個金屬盒，盒子內(nèi)部設(shè)置著快速來回振蕩的200萬伏特電場。當(dāng)粒子靠近加速腔，電場對它產(chǎn)生吸引力;當(dāng)粒子離開加速腔，電場再反轉(zhuǎn)，把它排斥出去。如此一拉一推，對粒子進(jìn)行加速。
藍(lán)色與紅色代表著來回反轉(zhuǎn)的電場
對撞與探測
LHC里，有四個主要的對撞實驗點，分別是LHCb、ATLAS、ALICE及CMS。在這些位置設(shè)有大型探測儀器，負(fù)責(zé)拍攝和記錄這些碰撞的細(xì)節(jié)信息。
CMS、ATLAS和ALICE的探測器，造型上相當(dāng)特殊詭異，頗像電影里的星際之門，并且規(guī)模非常大，如CMS，高達(dá)15米、長達(dá)25米，重達(dá)14000噸;ATLAS則更為巨大，25米高、45米長。
CMS的探測器;在右下人影的對比下，可見探測器的龐大規(guī)模
在這個油桶狀結(jié)構(gòu)的中心，高能粒子進(jìn)行碰撞，而周圍一層層的同心圓儀器則負(fù)責(zé)記錄下各種不同的信息，從而得出不同粒子的歷史軌跡。
CMS的橫切面示意圖
第一層是跟蹤器，一般由硅等半導(dǎo)體制成。帶電的粒子穿過時留下微小的電信號，成為粒子前進(jìn)去向的證據(jù)。
第二層是量能器，本質(zhì)上是探測器里高密度的部分，作用在于吸收粒子所有的能量，使之停下來。通常情況下，當(dāng)粒子撞擊量能器，它們會釋放出大量的光。記錄下這些光的能量，也能反過來推導(dǎo)出粒子的能量。
第三層是超導(dǎo)螺線管，目的在于產(chǎn)生強大的磁場覆蓋探測器整體的空間，使帶電粒子在移動中拐彎。拐彎的方向，能告訴我們粒子帶正或負(fù)電(或不帶電);而拐彎的曲率，則能告訴我們粒子的動量(動量=質(zhì)量×速度)，動量越高，曲線越直。
最邊緣的一層是μ子譜儀，負(fù)責(zé)檢測μ子，即前面提到的加重版的電子。因為它們很重，同時不與強核力相互作用，它們實際上可以穿透前面幾層，直到探測器的邊緣。
左邊是CMS，而右邊是LHCb
相比于CMS、ATLAS和ALICE(一層層同心圓的桶型)，LHCb由一層層線性層組成的片狀探測器，沿著粒子的前進(jìn)方向而設(shè)。但整體上，這些探測器的運作原則類似，盡管其中一些探測器安裝了額外的子探測儀。
將這些資料信息匯總起來，我們就能重建出這些粒子對撞的三維圖像。
CMS重建的粒子對撞3D圖像
儲存和分析
粒子物理學(xué)家的任務(wù)，就是瀏覽這些數(shù)據(jù)和圖像，從中找到新的線索或證據(jù)。
但在一個實驗里，每一秒進(jìn)行著約1400萬次的對撞。之所以制造如此大量的碰撞，是因為我們要尋找的結(jié)果非常罕見。這就像是擲一個百萬個面的骰子，其中只有一兩面是我們感興趣的。
如果把各個實驗點的碰撞都加起來，這可達(dá)每秒10億次，相對于每秒1000TB(注：計算機里的字節(jié)單位，1TB=1024GB)的數(shù)據(jù)。LHC每年從四月一直運作至十二月圣誕前夕，每周7天、每天20小時，一年下來的總量更是達(dá)到10ZB(1ZB=10244GB)，根本記錄不了。
在這些海量信息中，科學(xué)家必須根據(jù)感興趣的事件編寫一些算法，我們稱作觸發(fā)機制，把不重要的事件過濾掉，留下滿足條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和查看。
如此一來，一年10ZB的數(shù)據(jù)能有效縮減到30000TB。但即便如此，這對于CERN計算中心仍然是海量的數(shù)據(jù)，不可能由單一中心處理。
所以，一個全球分布式計算系統(tǒng)——Worldwide LHC Computing Grid(WLCG)結(jié)合了42個國家、170多個地點的逾900000臺計算機，充當(dāng)一臺巨型超級計算機，供科學(xué)家實時儲存及分析LHC的資料。
某一天數(shù)據(jù)在WLCG的來回發(fā)送
其中一個最普遍的分析方法，是將數(shù)據(jù)繪制成圖表，從圖表中的異常捕捉新的未知現(xiàn)象。
比如2012年，粒子物理學(xué)家從CMS和ATLAS在同一個地點和時刻發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上某個不尋常的拐點。經(jīng)過一系列研究，我們證實了它就是希格斯玻色子。
無盡的好奇•未來計劃
從1950年代開始，CERN持續(xù)地放眼更強大、更宏偉的粒子加速器。因為更大的加速器，意味著更高的能量，以及更多有趣的新現(xiàn)象。
幾個月前，CERN剛宣布了下一代對撞機的建設(shè)計劃，稱作未來環(huán)狀對撞機(Future Circular Collider ;FCC)，全長100公里，基本覆蓋了阿爾卑斯山及汝拉山脈之間的整個日內(nèi)瓦盆地。在它面前，LHC頓時顯得微小了。
這項目一旦確定，它將需要幾十年的時間規(guī)劃與落實。屆時，或許我們可以再齊聚一堂，對FCC做一次深入的虛擬探訪。
