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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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超环面仪器也有巨大的合作圈。来自38个国家174个研究所的超过3000名科学家参与了超环面仪器的实验（2009年12月）。这项合作最早形成于1992年的两个实验——精确光子、轻子与能量测量实验（Experiment for Accurate Gamma, Lepton, and Energy Measurements, EAGLE）以及超导环场仪器（Apparatus with Super Conducting Toroids, ASCOT）的合作，这两者在设计上与以前的一个提案——超导超级对撞机（SSC）探测器在某些方面有着相同的面貌。1994年最终的项目书提交了，两年后资助被批准。
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两个实验在基本框架上是相似的，但是在细节的构造与应用上却不同（见图13-4）。每个实验都有不同的长处，这种互补关系使得物理学家可以交叉检验实验结果。由于粒子物理学的发现极具挑战性，两个实验有着相同的搜索目标，当它们的发现互相印证时，结果就会有更强的可信度。如果它们给出相同的结果，那么每一人都会更加确信。
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两个实验的出现也引入了一种强烈的竞争元素，这是我的同行常常提醒我的。这种竞争催促他们更快、更详细地得到结果。两个实验的成员们也在互相学习。往往一个好的办法在两个实验中都有用武之地，即便它们的应用有些不同。这种竞争与合作，与两套基于不同构造与技术的独立探测系统地交融在一起，其本质是因为两个实验拥有相同的目标。
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图13-4 超环面仪器和紧凑μ子线圈探测器的横截面（注意这个图的尺寸已经全部重新调整过）。
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我经常被问到，大型强子对撞机何时将运行我的实验以检验我和合作者提出的特定模型。答案是马上，但是他们也同时在寻找其他人的方案。
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理论物理学家通过引入新的搜索目标和新的策略来帮助寻找新物质。我们的研究目的是尽力确定新方法，以期在高能标下可以显现一些新的物理元素或新的基本作用力。这样，物理学家就可以寻找、测量以及诠释这些实验结果，进而从浩如烟海的数据中洞见隐于其中的理论实质，不论它最终呈现出何种风貌。只有当这些数据被记录下来，各个分析团队的无数实验物理学家才能研究这些信息，以确定这些数据与我们的或是其他有潜力的提案相容或是相悖。
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理论物理学家与实验物理学家接着会检查这些数据看它们是否遵从某些特殊假设。即使许多粒子寿命只有几分之一秒，即使我们没有直接观测到它们，实验物理学家也能使用数字数据来刻画这些组成物质核心的粒子，以及它们相互作用的“图像”。考虑到这些探测器与数据的复杂程度，实验物理学家总是会有很多令他们满意的信息。本章后文将为读者介绍具体这些是什么样的信息。
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超环面仪器与紧凑μ子线圈探测器
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到目前为止，我们跟随大型强子对撞机的质子从它们由氢原子中剥离出来，到它们约27公里的圆环上被加速到高能量。两个完全平行的质子束永远不相交，两束质子也不会朝着相反方向运动。接着在沿着环的几个位置上，二极磁铁将它们从其路径上分开，而四极磁铁则将它们汇聚，使两束质子可以在一个直径小于30微米的区域内相遇并相互作用。每一个探测器的质子-质子发生对撞的中心被称作相互作用点。
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实验都设置在以这些相互作用点为中心的同心球面上，吸收和记录频繁对撞的质子所发射出的众多粒子（见图13-5）。紧凑μ子线圈是圆柱状的，因为尽管两个质子束以相同速度沿着相反方向运动，对撞也倾向于包含大量在两个方向上的前向运动。事实上，因为单个质子远比粒子束小得多，绝大多数质子并不发生对撞，而是沿着粒子束管道继续直直地（只稍微有点偏转）运动下去。只有极个别的单个质子对头碰撞事件能让人感兴趣。
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图13-5 电脑绘制的紧凑μ子线圈分离示意图，显示了各个探测单元。（感谢CERN与CMS友情提供图片）
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这意味着，虽然大多数粒子继续沿着粒子束管道运行，但是潜在的有趣事件是一个与粒子束运动明显垂直的粒子束。考虑到沿着粒子束的方向粒子会广泛分散，柱形探测器被设计成可以尽可能多地探测这些相互作用产物。紧凑μ子线圈探测器被安置在法国塞西（Cessy）地下的一个质子对撞点处，该地接近日内瓦边境；而超环面仪器相互作用区域则是在瑞士梅兰镇（Meyrin）的地下，靠近欧洲核子研究中心主体建筑的地方（见图13-6，该图模拟粒子从对撞点出来，沿着超环面仪器探测器的截面射出）。