物理

格物致知——大型強子對撞機

由全球科學家通力合作、史上最大的粒子物理學實驗即將展開。

撰文/柯林斯(Graham P. Collins)
翻譯/周忠憲

物理

格物致知——大型強子對撞機

由全球科學家通力合作、史上最大的粒子物理學實驗即將展開。

撰文/柯林斯(Graham P. Collins)
翻譯/周忠憲

重點提要
■大型強子對撞機(LHC)是至今最大、最複雜的粒子物理實驗,目前正接近完工階段,並預計於今年開始運轉。
■LHC將加速整團的質子到機器所能達到的最大能量,並讓它們每秒對撞3000萬次。每次碰撞均會飛濺出上千個以接近光速飛行的粒子。
■物理學家預期LHC將粒子物理學帶入新紀元,其中關於宇宙中的物質以及能量組成的謎題,都可能獲得解答。

你可以把它想成是科學史上最巨大、功能最強大的顯微鏡。大型強子對撞機(LHC)——距離日內瓦只有一小段車程的鄉村地底下的環形機器就要組裝完成。它將探究的是我們所探查過的最短尺度(直到奈–奈米)以及最高能量的物理。十幾年來,粒子物理學家一直熱切期盼有機會探索兆等級的物理,這樣稱呼是因為它牽涉到的能量高達1012電子伏特,也就是一兆電子伏特(1TeV)。我們預期在這麼高的能量上,必定會出現重大的新物理,例如難以理解的希格斯粒子(一般相信它負責給予其他粒子質量)以及佔據宇宙大部分物質的暗物質的組成粒子。


經過九年的建造期,這龐大的機器預計從今年開始產生粒子束。測試程序計畫從單一粒子束到兩束粒子、再到粒子束對撞;從較低能量到兆等級;從較弱的測試強度到足以有效產生數據、但也較難控制的較大強度。過程的每一步驟都充滿挑戰,而超過5000位科學家、工程師及學生也將通力合作來克服。為了近距離觀察這個預備探索高能物理的尖端設備,去年秋天我參觀了這個計畫,當時和我談話的每個人都表露出最終會成功的平靜自信,儘管時程表其實已一再延後。粒子物理學界正熱切地等待LHC的初步實驗結果,美國麻省理工學院的威爾切克(Frank Wilczek)談到LHC的前景時,語帶興奮地表示:「物理學的黃金時代即將誕生。」


最頂級的機器

為了進入兆等級的新領域,LHC各方面的基本參數幾乎都超越先前的對撞機,它啟動時將產生前所未有的高能量質子束。它的將近7000個磁鐵在液態氦冷卻下,溫度會降到2K以下,變成超導態,這些磁鐵將引導並聚集兩束與光速相差不到億分之一的質子束,每個質子將會帶著約7TeV的能量,根據愛因斯坦的E=mc2公式,這大約是質子靜止質量所含能量的7000倍,也約是目前世界紀錄的七倍,原紀錄是由美國費米國家實驗室所保持。另一項重要的設計是,LHC能產生的粒子束強度(或稱做亮度)比正負質子對撞機所能產生的要強上40倍。當它在最高能量全力運轉時,所有在繞圈子的粒子攜帶的能量總和,相當於大約900部車子同時以時速100公里奔馳的動能,如果用來燒開水,可以煮將近2000公升的咖啡。

質子束運行時將分散成約3000個小團,分佈在周長27公里的對撞機軌道上。每個針狀的小質子團包含多達1000億個質子,質子團長度只有幾公分,而在對撞點更會被壓縮到直徑只有16微米(大約與人類最細的毛髮相當)。在環上的四個對撞點,這些針狀團會穿過彼此,每秒產生超過六億次粒子碰撞。這些碰撞(物理學家稱為「事件」)事實上是發生在組成質子的夸克與膠子之間。在最激烈的對撞下,可釋放出的能量大約為原先質子能量的1/7,也就是約2TeV。(同理,正負質子對撞機對於要探究兆等級的物理能量還差了五倍,儘管其質子及反質子都具有1TeV的能量。)


LHC的四個巨大的偵測器將追蹤並測量在偵測器中心每次碰撞後所飛濺而出的上千個粒子,其中最大的偵測器大約可以佔據半座巴黎聖母院,而最重的偵測器所含有的鐵比艾菲爾鐵塔的鐵還要多。儘管偵測器的體積龐大,它們的某些零件位置必須被校準到50微米的精確度。


兩個最大的偵測器所產生的資料,會以將近一億個渠道傳輸,其資料量每秒可裝滿10萬張光碟片,將之堆疊起來的話,在六個月內就可到達月球。所以與其試圖將它們全部記錄下來,實驗學家選擇利用「觸發及資料擷取系統」,它們的作用就像是龐大的垃圾郵件過濾器,立即丟棄幾乎所有的訊息,每秒只留下看起來最有希望的100個事件,並將之送到歐洲核子研究組織(CERN)裡LHC的中央電腦系統建檔,供以後的分析用。幾千台位在CERN的電腦會組成一個「農場」,將這些篩選過的原始數據轉換成較簡潔的資料組,以利物理學家爬梳查詢。分析的工作將在遍佈全世界各研究機構、超過一萬台電腦所組成的網格上進行,這些電腦全部先連接到座落於三大洲的12個主要中心組成的轉接中心,再由專用的光纖連接到CERN。


漫長的測試旅程

在接下來的幾個月裡,所有的目光將會集中在加速器上。去年11月初已經完成了環上最後一個相鄰磁鐵的組裝,當我們在12月中發佈消息時,八個部份中的一個已經幾乎被降溫到運轉所需的低溫度,而第二個的冷卻也已經開始。在包括各部份以及整體系統的所有測試都完成後,一束質子將被注入兩個粒子束通道中的一個,通道將引導質子束環繞這周長長達27公里的機器。

將質子束加速並送到LHC主環的一系列小型加速器,已經通過測試,這些加速器將把質子的能量提升到0.45TeV的能量門檻,再注射入LHC。第一次注射粒子束是相當關鍵的一步,LHC的科學家會從低強度的粒子束開始測試,以減低損壞硬體設備的風險。等到他們已經謹慎地確認了測試的質子束在LHC內的反應,並且微調過操控磁場後,才會進入較高的強度。當第一次以設計的極限能量7TeV運轉時,每個方向只有單一個質子團會繞著運行,而不是最終目標的3000個。


在加速器以這種步步為營的方式,向完整的任務邁進的過程中,問題是一定會出現的。工程師及科學家得花多少時間克服每個挑戰,是個很大的未知數。如果其中一個部份必須被弄回室溫環境來修理,那將會花上幾個月的時間。


ATLAS、ALICE、CMS及LHCb這四個實驗組也有各自要完成的漫長步驟,在粒子束任務開始前必須完工。某些特別脆弱易損毀的元件還在安裝中,例如LHCb的頂點定位偵測器就剛於去年11月安裝。在參觀的過程中,我詫異於上千條茂密的纜線,這些纜線用來傳遞偵測器上所有渠道的資料,每條纜線都有標示,一一安配在正確的插槽,由許多學生測試。


雖然還要再等幾個月才會開始粒子束對撞,有些學生以及博士後研究員已經在處理真實的數據了。宇宙射線穿越佛朗哥–瑞士岩石時,偶爾會穿越他們的偵測器。察看偵測器對這些闖入者的反應,等於是一項重要的實地檢驗,看看從電壓供應器到偵測器本身,再輸出到資料擷取軟體的電子線路,是否都能做出正確反應。


萬事已俱備

當所有東西同時運轉起來,粒子束也開始在每個偵測器的中央對撞時,偵測器以及資料處理系統所面臨的任務將會至為艱難。在設計的亮度下,每次針狀質子團塊互相穿過時,將產生多達20個事件,兩次穿過的時間間隔通常僅有25奈秒。某一次互相穿過所飛濺出來的粒子,在下一次互相穿過發生時,都還正在經過偵測器的較外層。偵測器的每一層都會在不同種類的粒子穿越時,於個別元件上做出適當的反應。每一個事件將產生一百萬位元(1Mb)的資料量,從偵測器的上百萬條渠道傳輸出來,換言之,每兩秒就會產生10億百萬位元(等於1Pb)的資料。


這些洪水般的資料量必須降低到可以處理的比例,負責這項工作的觸發系統分為幾個層級。第一個層級負責收集並分析從所有偵測器各部位來的資料的一小部份,從中挑選出看起來有希望的事件,例如有一個高能量的緲子從粒子束軸線以大角度偏離飛出。這些被稱為第一層的觸發將會由數百個專用的電腦群執行。它們每秒將選取10萬組數據,提供下一個更高層級的觸發做更仔細的分析。


相對的,更高層級的觸發將會從偵測器的上百萬個渠道收集所有資料,它會在電腦農場中執行軟體。由第一層觸發認可的資料組之間,平均間隔10微秒,這段時間足以重建每個事件。換句話說,它將把每次事件產生的粒子軌跡追溯回至原點,並形成一組能量、動量、軌跡等協調一致的數據。…


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第73期3月號】