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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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最初加速的位置在欧洲核子研究中心的直线加速器中，这是一个绵延的隧道，无线电波[37] 沿着它加速质子。当无线电波的强度达到峰值时，其中的电场就会加速质子。接着，质子就会离开场区，因而在场变弱时不会减速[38] 。质子在场强再度达到峰值时回归电场，这样它们就能在峰与峰之间一直被加速。本质上，无线电波跳跃加速质子的方式类似我们推动秋千上的小孩的方法。因此，这些电磁波加速质子、提高它们的能量，不过在第一级加速中，增加的数值非常小。
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在下一级加速过程中，质子被磁铁导入一系列加速环，最终在那里被加速。每个加速器的功能都类似于上面描述过的直线加速器。然而，由于下一级加速器是环形加速器，在质子环行数千圈的过程中，加速器可以不断地提高质子的能量。因此，这些环形加速器赋予质子很多能量。
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在质子进入大型强子对撞机环之前加速质子的“加速环成员”包括：把质子能标加速到1.4GeV的质子同步推进器（proton synchrotron booster, PSB）、把它进一步提升到26GeV的质子同步加速器（proton synchrotron, PS），以及把它提升到所谓“注入能量”（450GeV）的超级质子同步加速器（super proton synchrotron, SPS）（请看图8-2以了解质子的旅程）。注入能量就是质子在约27公里长的巨大隧道中进入最后一级加速时所携带的能量。
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图8-2 被大型强子对撞机加速时，质子的行进路径。
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其中一些加速环是欧洲核子研究中心之前的一些项目遗留下来的。最老的质子同步加速器于2009年11月迎来了它的建成50周年庆典，而质子同步推进器对欧洲核子研究中心在20世纪80年代的最后一个核心项目（即大型正负电子对撞机）而言是很重要的。
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在离开超级质子同步加速器之后，质子为期20分钟的注入阶段就开始了。此时，从超级质子同步加速器中导出的、450GeV能标的质子在大型强子对撞机隧道的内部被加速到最高的能标。隧道中的两束质子沿着两根分离开的、直径0.91米的狭窄管道反向行进，这些管道延伸到27公里长的大型强子对撞机地下加速环中。
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这个建造于20世纪80年代、3.8米宽、现在负责质子束最后一级加速的隧道，照明、通风条件良好，空间大到能在其中舒适地环行——我有幸在大型强子对撞机尚在建造之时环行其中。在大型强子对撞机之行中，我仅仅漫步了很短的一段时光，然而我穿越这段隧道所消耗的时间依旧比被加速的高能质子长很多。后者以光速的99.9999991%运行，只需要1/89000000秒的时间就可以环绕隧道一圈。
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地下隧道的平均深度约为100米，其准确深度在50～175米之间变化。这可以保护其表面不受辐射，而且让欧洲核子研究中心不必买下（并摧毁）隧道所在位置邻域上的全部农田。然而，回溯到20世纪80年代，知识产权纠纷的确延后了这条本来为大型正负电子对撞机建造的隧道的挖掘工程。问题在于，在法国，土地拥有者拥有从地表到地心全部区域的所有权，而不仅仅是他们开垦的土地上。只有法国当局签署下“公用事业宣言”，让土地下的岩石，原则上还有更下面的岩浆都属于公共财产以“祝福”此项工程时，这条隧道才能开始挖掘。
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物理学家们经常争论，隧道深度的变化到底是出于地质学原因，还是为了减小电磁辐射而故意为之。事实上，两方面原因兼备。这种参差不齐的地势实际上是对隧道深度与位置的一种有趣的约束。欧洲核子研究中心的地下区域主要由一种被称为“磨拉石”（molasse）的致密岩石构成。然而，再下面却是一些河流与海洋沉积物，比如砂砾、碎石、含有地下水的黏土，这种地方并不适合建造隧道。地势的起伏让隧道始终处在适合建造隧道的岩层中。这也意味着，位于侏罗山脚下、居于欧洲核子研究中心一隅的隧道某个部分可以建造得更浅一点儿，这样在这个位置的垂直方向上运进、运出建筑材料就会更加方便（也更便宜）。
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隧道中最终的加速电场并非精确地按照环形方式安置。大型强子对撞机有着8个大弧，大弧彼此之间又由8个700米长的直线部分相间。8个部分中的每一个部分都可以单独地加热或者冷却，这对于维护和使用而言都很重要。进入隧道之后，质子在每一个短的直线部分被无线电波加速，正如在先前把它们加速到注入能量的加速阶段时一样。这种加速在400MHz的射频谐振腔（radio-frequency cavities）中出现，这个频率与你遥控锁上汽车所用电磁波的频率相同。这个场仅能把进入谐振腔质子束的能量加速到1TeV的485/1000000000。这听起来并不大，然而质子每秒钟绕行大型强子对撞机11000圈。因此，想要把质子束从它的注入能量450GeV加速到目标能量7TeV（后者是前者的约15倍），只需要20分钟的时间。某些质子将会由于相互碰撞或者走偏而丢失，然而大多数质子将会继续环行将近半日，直到质子束中的质子几乎消耗贻尽、必须被送回地面，再被新注入的质子所取代。
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