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大型强子对撞机，惊为天人的艺术品
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我第一次看到大型强子对撞机时，就为它体现的一种敬畏感而惊奇——尽管我之前已经见过了许多粒子对撞机与探测器，但它的尺度却远远不同。我们进入仪器内部，戴上安全帽，走入、穿过大型强子对撞机的隧道，在一个最终将放置ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS，超环面仪器）探测器的深井面前停下，并最后走到了实验仪器本身面前。它还在建造之中，这意味着超环面仪器还没有如它运行时那样被覆盖起来——我们可以窥见它的全貌。
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即便在一开始时，包括我在内的科学家们都对这个难以置信的精密的技术奇迹感到惶恐——它更像一件艺术品；然而我依旧难以遏制住自己的激动之情，拿出了照相机到处拍照。很难用语言来描述它的复杂性、一致性与巨大的“体格”，以及那些交错的线条与交叠的颜色。总之，唯一的印象是：它令人敬畏。
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看到这件艺术品的人都会有相似的反应。当艺术收藏家弗朗西斯卡·冯·哈布斯堡（Francesca von Habsburg）观看大型强子对撞机时，她带来了一名职业摄影师。这名摄影师的摄影作品美轮美奂，曾刊载于《名利场》杂志上。当出身于书香门第的电影制作人杰西·迪伦（Jesse Dylan）首次看到大型强子对撞机时，他将其描绘为一件卓越的艺术品——一个他希望与他人分享其壮美的“终极成就”。迪伦制作了一期视频，以表达他对大型强子对撞机以及在其上进行的实验之壮丽的感叹之情。
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演员、科学爱好者艾伦·艾尔达（Alan Alda）在主持一场有关大型强子对撞机的座谈会时，把它与古代世界的某座奇观联系了起来。物理学家戴维·格罗斯把它与金字塔相比。PayPal、特斯拉汽车公司的联合创办人以及太空探索科技公司SpaceX（制造把机械与货物运输到国际空间站中的火箭）的创办者、工程师、企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）如此评论大型强子对撞机：“这无疑是人类最伟大的成就之一。”
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我经常听到各行各业的人们都如此评论大型强子对撞机。网络、高速汽车、绿色能源、太空旅行都是今日应用科学中最为活跃且令人振奋的领域。然而，着手理解宇宙的基本定律却是一个独立的范畴，它予人深刻的印象，又令人震惊。艺术爱好者与科学家们都想要理解世界、解释它的起源。你也许会对“人类最伟大成就”的本质有所争议，但我想，任何人都不会质疑，我们能做的最卓越的事情是：深思并研究隐藏于简单事物之下的复杂本质 。只有人类承担着这样的责任。
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我们将在大型强子对撞机中研究的对撞过程类似于大爆炸后第一万亿分之一毫秒内的过程。这个过程将会告诉我们在宇宙形成的早期，有关物质与相互作用力的本质以及超小尺度的一些事情。你可以把大型强子对撞机看作一个超级显微镜，它可以让我们在极小的尺度上看到粒子与相互作用力——这个数量级是一毫米的一亿亿分之一。
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大型强子对撞机通过创造地球上能标之高前所未有的高能粒子对撞，来进行这些小尺度研究——这个能量的上限是位于伊利诺伊州巴达维亚的对撞机Tevatron的7倍。正如在第6章解释过的那样，量子力学与其在波动理论上的应用告诉我们，这些能量对研究如此小的尺度而言是非常重要的。而且，随着能量的增长，光度[34] 也会比Tevatron上的实验高50倍，这使那些能揭示自然内部运作机理的小概率事件更加可能被我们发现。
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尽管我不喜欢滥用溢美之词，然而我不得不说，大型强子对撞机属于一个只能用一系列“最”来描述的世界。它不能仅称“巨大”：大型强子对撞机是人类建造过的最大的机器；它不能仅称为“寒冷”：大型强子对撞机中的超导磁铁需要在1.9K（即比绝对零度高出1.9℃）的温度下运行，这是我们在宇宙中已知的最冷的大范围区域——它甚至比太空还要寒冷；它的磁场不能仅称为“强大”：大型强子对撞机中的超导二极磁铁产生的磁场比地磁场强度大出10万多倍，这是人类工业制造过的最强磁铁。
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大型强子对撞机还有数宗“最”。容纳质子的管道中的真空，其气压为大气压的十万亿分之一，是在大范围区域内制造过的最完全的真空。对撞的能标是地球上使用过的最高能标，它让我们得以向回追溯最远的时间，以研究早期宇宙中出现的相互作用。
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大型强子对撞机拥有着巨大的能量。它的磁场本身就蕴含着相当于数吨TNT炸药的能量，而其中参与对撞的粒子束蕴含着前者1/10的能量。这些能量蕴含在十亿分之一克的物质中，而后者只是日常环境中亚微观结构的一粒小灰尘物质而已。当机器中的粒子束整装待发时，高度集中的能量都被倾入一个石墨罐中，这个罐长8米、直径1米，由1000吨混凝土包裹起来。
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这些大型强子对撞机之最把技术推到了极致。这些技术花费不菲，每一项“最”都意味着一笔大额开销。大型强子对撞机90亿美元的身价也使它成为人类史上最烧钱的机器。欧洲核子研究中心承担了这笔费用的2/3，从德国的20%到保加利亚的0.2%，根据自身的经济实力，欧洲核子研究中心的20个会员国都各自作出了不等的贡献。余下的费用被非会员国承担，包括美国、日本与加拿大。欧洲核子研究中心为实验本身付费20%，这是由国际合作组织资助的。截至2008年，当机器最终制造完毕时，美国已经有1000多名科学家为CMS（Compact Muon Solenoid，紧凑μ子线圈）与ATLAS工作，并且为大型强子对撞机这项事业贡献了5.31亿美元。
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25年，从设想到现实
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大型强子对撞机的所在地欧洲核子研究中心是一家科研机构，它同时运作着许多项目。然而，欧洲核子研究中心的资源都集中在一些核心项目上。20世纪80年代的核心项目是SpbarpS对撞机[35] ，它最终找到了于粒子物理学标准模型十分重要的相互作用力传播粒子。1983年所进行的主要实验找到了弱规范玻色子（两种载荷W玻色子与中性Z玻色子），它们是传播弱相互作用力的粒子。它们是当时的标准模型中缺失的关键元素，该项目的领导人最终由于该发现而获得了诺贝尔奖。
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即便如此，当SpbarpS运行时，科学家与工程师们已经在计划大型正负电子对撞机的运行了。后者将把电子与它的反粒子（正电子）对撞在一起，以研究关于弱相互作用力与标准模型更加精密的细节。这个梦想实现于20世纪90年代。那时，通过一系列精确的测量，大型正负电子对撞机研究了数百万个弱规范玻色子，它们让物理学家们掌握了许多有关标准模型中物理相互作用的知识。
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大型正负电子对撞机是一个周长为27公里的环形加速器。电子与正电子绕着这个加速环的轨道运行，并且不断地被加速。正如我们在第6章中讨论过的一样，环形加速器在加速如电子这样的轻粒子时效率会比较低，因为这种粒子在环形轨道上被加速时会辐射出能量。大型正负电子对撞机能标（约100GeV）下的电子束每环行一圈就失去大约3%的能量。这个损失量并不是很大，然而，如果我们希望把电子加速到更高的能标，那么在每一圈中损失的能量就会变成“破坏者”。能量每放大10倍，能量损失就会放大10000倍，而这将让加速器变得太过低效而没有实际意义。
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出于这个原因，当大型正负电子对撞机还在筹划之中时，人们就已经开始思考欧洲核子研究中心的下一个核心项目——据推测，它将在更高的能标上运行。因为使用电子会造成不可接受的能量损失，如果欧洲核子研究中心想要建造一个以更高能标运行的机器，那么它将使用质子束。质子束的质量更大，因而辐射更少。建造大型正负电子对撞机的物理学家与工程师们非常清楚这种更美好的前景，所以他们把大型正负电子对撞机的隧道建得足够宽，以在这个电子-正电子对撞机被拆除后，能够容纳未来可能建造的质子对撞机。
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最终，25年之后，质子束在本来为大型正负电子对撞机挖掘的隧道中穿梭了（见图8-1）。
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图8-1 大型强子对撞机的所在地，白色圆圈内是它的地下隧道，背景是日内瓦湖与群山。（感谢CERN友情提供图片）
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大型强子对撞机比预期拖延了数年建成，其实际开销超出了预算金额约20%。这令人沮丧，但是考虑到大型强子对撞机是人类建造过的最大、最贵、能标最高、抱负最宏大、国际合作最多的实验仪器，这种超预算也是合理的。正如编剧、导演詹姆斯·布鲁克斯（James L.Brooks）在听到大型强子对撞机一系列的好事多磨时戏谑地说：“人们在挑选墙纸时耗费了几乎与此相当的时间。不过理解宇宙说不定也许有更好的效力，那里同样有着某些非常不错的墙纸。”
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大型强子对撞机的几宗“最”
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质子构成我们，它遍布我们周围。然而，它们通常都被束缚在原子中被电子环绕着的原子核里。它们不能孤立于电子，也不能在粒子束内部被校准（对齐成一列一列）。大型强子对撞机最初的任务是分离、加速质子，再把它们导向最终的目标。这个过程就要用到大型强子对撞机的几宗“最”。
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准备质子束的第一步是加热氢原子，这可以去掉电子[36] ，分离出孤立的质子（即氢原子核）。磁场控制着这些质子的方向，引导它们成为粒子束。接下来，大型强子对撞机在不同区域中对这些粒子束进行多级加速。在这个过程中，质子从一个加速器转移到另一个加速器，每一次都会增加一些能量。最终，它们形成两个平行粒子束，进而进行对撞。
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