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穿过真空而对撞
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大型强子对撞机的最后一宗“最”是有关质子环行于其中的管道中的真空。这个系统必须摒除尽可能多的物质，以保持氦的温度足够低，因为任何误入歧途的分子都有可能带走热量与能量。最重要的是，质子束所在的区域必须尽可能不存在气体。如果存在气体，那么质子就有可能与它发生对撞，并破坏质子束的良好环行过程。因此，质子束内部的压强极端微小，小到是大气压的十万亿分之一——这是地表100万米的高处、极端稀薄的大气所具有的压强。在大型强子对撞机中，9000立方米的空气都被抽空，以迎接质子束的到来。
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即便是在这种低到极点的压强下，管道区域中每立方厘米依旧存在大约300万个气体分子，所以质子确实经常碰撞到气体并偏离方向。如果足够多数量的质子碰撞了超导磁铁，那么它们将导致超导磁铁骤冷，并破坏超导性。碳准直器把大型强子对撞机中的粒子束校直，以除掉位于某个3毫米的孔隙之外的杂散束粒子。这个孔隙足够让宽度在毫米数量级的粒子束通过了。
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然而，把质子聚合为毫米级的粒子团依旧是件棘手的工作。它由叫作“四极磁铁”（quadrupole magnet）的磁铁完成，这种磁铁可以高效地集中、压紧粒子束。大型强子对撞机中包含392个这样的磁铁。四极磁铁也让质子束从它们各自的路径上散开，这样它们才可以真正实现对撞。
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这些质子束并非精确或者完全地迎面对撞，而是以一个极微小的角度对撞，这个数值大约为1/1000弧度。这是为了确保在同一时间只有来源于质子束的一个团发生对撞，这样数据就少一些混乱，质子束也能保持原封不动。
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当来源于两个质子束的团对撞时，1000亿个质子将与另外1000亿个质子激烈碰撞。四极磁铁也用于完成极端艰巨的任务，即把沿着发生对撞、记录事件的实验所在粒子束区域的粒子束集中起来。在这些位置，磁铁把粒子束压缩到16微米的尺度上。粒子束必须极小、致密，以使在相遇时，一个团中的1000亿个质子更加可能找到另一个团中的1000亿个质子之一。
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一个团中的大多数质子都无法找到另一个团中的质子，即便它们已经被引导向彼此的方向发生对撞。单独的质子直径仅有百万分之一纳米。这意味着，即使所有的质子都被约束在16微米的团内，每当团与团之间交错而过时，也仅有约20个质子迎面相撞。
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事实上，这是一桩好事。如果同时出现太多的对撞，那么数据将会变得非常混乱，我们将不能准确分辨究竟哪个粒子从哪次对撞中出现了。当然，完全没有对撞出现是一桩坏事。通过把特定数量的质子集中到特定的尺度上，大型强子对撞机确保了每次两个团交错而过时发生对撞的次数是最优的。
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单独质子的对撞几乎是瞬时出现的，其时间大约比1秒低25个数量级。这意味着，质子对撞的时间间隔完全取决于团之间交错的频率，其下限约为25纳秒。团之间每秒钟交错多于1000万次。通过这种频率的对撞，大型强子对撞机得以产生大量数据——每秒钟大约10亿次碰撞。幸运的是，团之间交错的时间间隔足够长，足以让计算机追踪到感兴趣的单一碰撞，而不会被不同团中发生的碰撞所扰乱。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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我从1983年开始攻读物理学研究生，而大型强子对撞机的建造计划于1984年正式提出。所以，从某种意义上来说，我在自己学术生涯的前25年，一直在等待大型强子对撞机。现在，在经历了无数等待与波折之后，我与同事们终于看到了大型强子对撞机的实验数据，并期待着实验将要很快揭示的有关质量、能量与物质的洞见。
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大型强子对撞机是目前最重要的粒子物理学实验仪器。因此，当它开始运行时，我的许多物理学家同僚都非常急切、兴奋。所有的研究室中，人们都在四处打听情况：对撞将要达到什么能标？一个质子束中包含多少质子？理论物理学家们想要理解某些细节，这些细节曾经是由我们之中从事计算与概念，而非机器或实验设计工作的人抽象出来的，而实验物理学家们也是这样。在听到我们最新的猜想，并了解更多他们有可能寻找、发现到的事物之后，实验物理学家们表现出了我所见过的最大的热切之情。
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即便是在2009年12月的一个计划讨论暗物质的会议上，与会者依旧热切地讨论着大型强子对撞机。那时，大型强子对撞机刚刚令人难以置信地成功完成了它的首次加速与对撞。在一年多前的那次沮丧[39] 之后，每个人都开始欣喜若狂。当实验物理学家们得到可以更好地理解探测器的实验数据时，他们感到放心多了，而理论物理学家们也为他们很快就能得到一些答案而高兴。一切都好到难以置信：粒子束看上去很好，对撞已经进行过了，实验设备正在记录对撞事件。
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达到这个里程碑的过程是一个相当了不起的故事，而这一章就要讲述这段传奇。因此，请系好你的安全带，我们将要走上一段颠簸之路。
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筑梦科学
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欧洲核子研究中心的历史早于大型强子对撞机数十年。第二次世界大战结束后不久，在欧洲建造一家加速器中心，以主要开展研究基本粒子的实验的想法就首次提上了日程。那时，许多欧洲物理学家（其中一些人已经移居美国，另一些人还在法国、意大利与丹麦）都希望让科学的前沿回到自己的故乡。美国人与欧洲人一致同意，如果欧洲人联合起来参与这项事业，并在欧洲展开研究以弥补在战争结束不久之后遗留下来的荒芜与猜忌，那么这对科学与科学家们而言，都是最好的选择。
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联合国教科文组织1950年在佛罗伦萨召开的一次会议上，美国物理学家伊西多·拉比（Isidor Rabi）提议兴建一个新的实验室，以在欧洲重建科学界的强联系。1952年，欧洲核子研究理事会（法文名为Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire，因此其缩写为CERN）成立。1953年7月1日，来自12个欧洲国家的代表聚集在一起创建了“欧洲核子研究组织”（European Organization for Nuclear Research），其创立协议于次年得到了认可。CERN的缩写显然有点不合适了，而且我们现在研究的是亚核物理学和粒子物理学，但出于管理机构的原因，CERN的缩写依然被保留了下来。
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欧洲核子研究中心的设备故意建造在欧洲的中心，一个位于日内瓦城附近、在瑞士-法国交界的地点。如果你喜欢户外运动，那么到此一游再好不过。这个极好的位置坐拥良田万顷，紧邻侏罗山，而不远处就是阿尔卑斯山脉。欧洲核子研究中心的实验物理学家们都颇有运动天赋：滑雪、爬山、骑行，无所不及。欧洲核子研究中心占地极为庞大，足以为那些爱好运动的研究员们提供足够大的场地，让他们奔跑得精疲力竭以保持体形。那里的街道都以著名物理学家的名字命名，比如“居里路”“泡利路”“爱因斯坦路”，等等。然而，欧洲核子研究中心的建筑风格囿于它的建造时代。20世纪50年代，国际建筑风格都是平淡无奇而低矮的，所以欧洲核子研究中心的楼都不高，它的走廊蜿蜒，办公室风格乏味。“科学设施”并没有给这些建筑带来生气——看看大多数学校中的科学建筑吧，你会发现，它们往往是校园所有建筑中最丑陋的。给这个地方（与风景）带来亮色的是那些工作于此、孜孜不倦地追寻着各自学科、工程学目标与成就的人。
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国际合作有助于推动欧洲核子研究中心的发展，也许这是人类创建过的最成功的国际事业。即便是在第二次世界大战之后不久，各国之间还处于冲突状态之际，来自12个不同国家的科学家们依旧坐在了一起，为这项共同事业出力。
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如果存在竞争，那也是为了美国人及其蒸蒸日上的科学事业的。在欧洲核子研究中心找到W、Z规范玻色子之前，几乎所有的粒子物理学发现都来自美国的加速器。我在1982年作为费米实验室的暑期学生时，那个跌跌撞撞地走入公共区域，呢喃着他们为什么“必须找到那天杀的矢量玻色子”并打破美国统治地位的醉汉物理学家，也许正表达了那时许多欧洲物理学家的想法——虽然这种措辞显然有些贫瘠和苍白无力。
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欧洲核子研究中心的科学家们确实找到了那些玻色子。现在，随着大型强子对撞机的建成，欧洲核子研究中心是实验粒子物理学当之无愧的科学中心。然而，在大型强子对撞机计划首次被确认之前，这绝对没有被预先确定下来。由里根总统批准的美国超导超级对撞机的能标将是大型强子对撞机的三倍——假如美国国会一直资助这个项目，而没有让它中道崩殂的话。虽然克林顿政府原本并不支持这项由共和党前总统发起的项目，然而当他意识到某些利害关系之后，就改变了想法。1993年6月，克林顿给美国众议院拨款委员会主席威廉·纳彻（William Natcher）写了一封信，试图继续支持这个计划。
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