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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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在设计上，在大型强子对撞机中环行的质子并非是均匀分布的。它们被送入加速环的2808个团中，每个团中包含1150亿个质子。每个团长10厘米、宽1毫米，团之间的间距约为10米。这于加速过程很有意义，因为每个团都可以单独加速粒子。另外，把质子集成团也是保证质子团以至少25～75纳秒的时间间隔进行相互作用的手段。这段时间足以让每个团中的对撞被单独记录下来。由于在每个团中的质子都比质子束中的质子少很多，我们可以控制同一时间对撞的次数，因为任意时间对撞的质子都在团中，而不是整体的质子束中。
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至关重要的低温二极磁铁
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把质子加速到高能标确实是一件显赫的成就。然而，建造大型强子对撞机过程中真正的技术绝技乃是设计、制造能产生强磁场的二极磁铁，它们可以保证质子正确地在加速环中环行。如果没有这些磁铁，那么质子就会沿直线行进。让高能质子在某个环内环行需要巨大的磁场。
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由于隧道的长度是给定的，大型强子对撞机的工程师面临的主要技术困难是：如何在工业规模上制造尽可能强的磁铁——这意味着可以批量生产。强磁场是把高能质子约束在曾经放置大型正负电子对撞机的旧隧道中所必需的。让更高能标的质子环行，需要增强磁铁或是扩大隧道，以让质子的轨迹足够精确。于大型强子对撞机而言，由于隧道的尺寸已经确定了，所以目标能标仅由可达到的最大磁场决定。
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假使美国的超导超级对撞机（Superconducting Supercollider, SSC）没有中途停建，那么它将要被放置在一个更大的、周长87公里的隧道中（实际上，这台超导超级对撞机是为了这个项目而特地挖掘的）。这台超级对撞机预计达到40TeV的能标，这是大型强子对撞机目标能量的3倍。这个远超大型强子对撞机的能量将可能达到，因为这部机器的建造是白手起家的，它没有已经存在的隧道尺寸的限制，也没有随之而来的对难以达到的强磁场的要求。然而，欧洲人的提议有着一些实际优势，即这条隧道与欧洲核子研究中心中有关科学、工程学与后勤的基础设施已经存在了。
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当我访问欧洲核子研究中心时，给我印象最深的是柱形二极磁铁的雏形（图8-3为横截面图）。相同的磁铁总共有1232个，每个长15米、重30吨。这些长度不仅受限于物理实验方面的考虑，还受限于放置大型强子对撞机的隧道那相对狭窄的宽度，以及在欧洲的道路上运输这些磁铁的实际需求。每一个磁铁价值70万欧元，这使大型强子对撞机中单单磁铁这一项的支出就超过10亿美元。
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