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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2007年8月，西班牙物理学家和欧洲核子研究中心理论组组长路易斯·阿瓦瑞智·高密热情地鼓励我加入一次参观超环面仪器（ATLAS）实验的旅程。并且，物理学家彼得·詹尼（Peter Jenni）与法比奥拉·贾诺蒂（Fabiola Gianotti）还计划拜访诺贝尔奖获得者李政道以及其他几位物理学家。想要抗拒彼得与法比奥拉满怀感染力的热情几乎是不可能的。他们当时乃是超环面仪器实验的发言人与副发言人。他们所有的话，字里行间都充满了对实验细节的专业与熟稔。
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我和同行的参观者戴上安全帽进入了大型强子对撞机的隧道。我们的第一站是一个可以向下俯视到一个深井的平台（见图13-1）。这个巨大的洞穴有竖直的管道可以将探测器从我们所站的地方输送到100米以下的地面。我们几个参观者都热切地期盼一睹其真容。
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第一站以后，我们继续走到下面的地板上，那里堆放着还没有安装好的超环面仪器探测器。没完工最妙的事情就是你可以看到探测器的内部。一旦最终封闭就什么都看不见了，只有在大型强子对撞机停止实验的检修维护期间，才可能再次看见其内部结构。所以我们才有这样一个机会可以直接观看这个精密工程，它是那么色彩斑斓又庞大无比，甚至比巴黎圣母院大教堂的中殿还大。
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图13-1 从平台向下俯瞰超环面仪器的深井，视线中的管道可以将材料输送下去。
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但是最宏伟的不仅仅是超环面仪器的规模。我们当中来自纽约或者其他大城市的人不会仅仅因为一个庞大的建筑而感到震撼。超环面仪器真正雄伟壮观的是：如此巨大的一个探测器竟然是由许许多多小的探测元件组成的。有些元件设计成可以测量到微米量级的精度。最具讽刺意味的事情正体现于此：我们需要用如此庞大的实验装置来测量如此微小的距离。当我展示一张来自报告会的探测器的照片时，我不得不强调说超环面仪器不仅巨大而且构造精密。这是它最神奇的地方。
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2008年，我又重返欧洲核子研究中心并再次目睹了超环面仪器的工程进展状况。2007年时探测器的两端还开放参观，这时已经封闭。我又踏上了一次参观紧凑μ子线圈（CMS）的壮观旅途。紧凑μ子线圈是大型强子对撞机的第二个通用型探测器。这次同行的还有物理学家辛西娅·达维亚（Cinzia da Via）和我的合作者吉拉德·佩雷斯（Gilad Perez，即图13-2中的男子）。
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图13-2 我的合作者吉拉德·佩雷斯站在一层层的紧凑μ子线圈μ子探测器/磁返回轭前面。
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吉拉德还没有参观过大型强子对撞机的实验室，所以我借此机会通过他的兴奋回想起了我上一次的经历。我们趁着监管不严，攀上攀下，甚至俯瞰了一个粒子束管道（见图13-3）。吉拉德觉得这里可能会成为一个额外维度粒子产生的地方，进而为我以前提出的理论提供证据。但是无论它将为我的模型还是其他模型提供证据，它都给了我们一个很好的提醒：这个管道将洞悉即将出现的新元素。
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第8章介绍了大型强子对撞机，它用来加速质子并使它们对撞。本章重点讲述大型强子对撞机的两个通用型探测器——紧凑μ子线圈与超环面仪器，以及它们的粒子对撞产物。其他大型强子对撞机实验如ALICE、LHCb、TOTEM、ALFA以及LHCf，都设计有特殊的用途，包括对强相互作用力的理解以及底夸克的精确测量。这些实验很可能让我们可以更加细致地研究标准模型，但是它们不太可能发现超越标准模型的新能标下的物理现象，而这才是大型强子对撞机的首要目的。紧凑μ子线圈和超环面仪器是用来测量和揭示新现象、新物质的首要探测器。
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图13-3 辛西娅·达维亚（左图）正走过那个我们可以俯瞰粒子束管道并观看其内部构造的地方（右图）。
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本章会涉及大量技术细节。即便像我这样的理论物理学家也不需要知道这些因素。总的来说，如果读者仅仅对我们可能发现的新物理或者大型强子对撞机的概念感兴趣，那么可以选择跳到后面的章节。然而，大型强子对撞机实验巧夺天工、令人难以置信，省略这些细节仍将损失一二。
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一般原理
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在某种意义上说，超环面仪器与紧凑μ子线圈探测器是几百年前伽利略和其他发明家策划改良的逻辑演变。自从显微镜发明以后，技术的不断发展让物理学家可以研究越来越小的尺度。小尺度上的研究不断地揭示物质的结构，这只能通过小的探针来观测。
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大型强子对撞机的实验都设计成可以研究十亿亿分之一厘米尺度上的结构与相互作用。这大约是以往实验观测尺度的1/10。虽然大型强子对撞机探测器与此前的高能对撞实验，例如美国费米实验室的Tevatron，基于相同的原理，但新的探测器在能标与对撞速度上创下新纪录，也将面临众多新挑战，同时也迫使它们在尺度与复杂程度上开创新河。
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与太空望远镜类似，这些探测器一旦建成，本身就很难再触碰。它们都被安置在很深的地下而且有大量辐射。一旦探测器开始运行，没人能再靠近它们。哪怕没有运行，要想接近任何专门的探测元件也是极其困难的。因此探测器建好之后至少可以使用10年而无须修缮。不过为了大型强子对撞机每次能持续运行两年，在两次运行之间会有一个很长的关闭时期，此时物理学家与工程师可以接触到许多探测器部件。
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粒子实验与望远镜在一个重要方面上有着本质的不同。粒子探测器是不需要指向一个特定的方向的。从某种意义上讲，它们同时观看各个方向。对撞发生，粒子出现。探测器记录的任何事件都可能是有意义的。超环面仪器与紧凑μ子线圈是通用型探测器，它们不只记录一种粒子或事件抑或是只关注某一特殊过程。这些实验装置都设计成可以从最广泛的相互作用与能量区域来汲取数据。实验物理学家有极强的计算能力，他们试图从实验记录的图像中明确地解读出粒子和其衰变产物的信息。
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来自38个国家183个研究所的超过3000名科学家参与到了紧凑μ子线圈的实验中，从事建造与操纵探测器、分析数据的工作。最早作为副发言人的意大利物理学家圭多·托内利（Guido Tonelli）当时是这项合作项目的领队。
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优秀的意大利女物理学家法比奥拉·贾诺蒂也从超环面仪器另一个通用型实验的副发言人转为发言人，从而打破了欧洲核子研究中心由男性物理学家主导的传统。她很适合担当此角色。她有着温和、友好、礼貌的举止，而且她在物理学和组织管理方面的贡献也很重要。然而，令我忌妒的是，贾诺蒂还是一个技艺精湛的大厨——虽然对意大利人而言，对厨艺细节的过分关注是可以理解的。
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