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图13-10 紧凑μ子线圈中在建的磁回路线圈与μ子探测器交错排列。
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高能μ子对于寻找新粒子非常有用，因为与强子不同，它们相当孤立，因此它们的探测与测量结果相对纯净。实验物理学家想记录所有高能μ子在垂直方向上的事件，因为μ子很可能伴随着更加有趣的碰撞。μ子探测器对于验证其他能达到外层探测器的稳定的带电重粒子也是有用的。
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μ子室记录μ子留下的到达最外层探测器的信号。它们与内层探测器中的轨迹在某些方面是类似的——磁场使μ子的轨道弯曲，所以轨迹和动量能被测量到。然而在μ子室中，磁场是不同的，并且探测器的厚度大得多，因此允许测量一些曲率更小、动量更高的粒子（动量越高的粒子在磁场中偏转得越小）。在紧凑μ子线圈中μ子室沿径向从3米处向外延伸到7.5米处，而在超环面仪器中它们从4米处伸展到11米处。这些巨型结构能够测量50微米粒子的轨迹。
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端帽，记录所有动量
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最后介绍的探测元件是端帽（endcaps），即实验仪器前后两端的探测器（见图13-11）。我们不再从内向外“参观”（μ子室是那个方向的最后一步），我们现在沿着柱状探测器的轴向前进到两个端点处，并将端帽切开。探测器柱状部分被端帽探测器截断的地方是确保其能记录到尽可能多粒子的地方。因为端帽是探测器的最后一个安装组件，2009年[54] 我参观超环面仪器时才可以看到安置于探测器内部的众多层级。
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探测器被安置在这些端点区域，以确保大型强子对撞机实验可测量到所有粒子的动量。目标是让实验装置密封性更好，即在各个方向都被覆盖而没有空洞和缝隙。密闭实验确保了即使不参与相互作用或者参与非常弱的相互作用的粒子也能被发现。如果能观测到横向动量缺失，那么必然有不可直接测量的一个或更多粒子产生。这样的粒子带有动量，它们所带走的动量使得实验物理学家知道了它们的存在。
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图13-11 超环面仪器的计算机三维图显示了它的诸多层级与分离的端帽。（感谢CERN与ATLAS友情提供图片）
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如果你知道探测器测量了所有横向动量，而垂直于粒子束方向上的动量在对撞后不守恒，那么一定有物质没有被探测到，或消失了并且带走了动量。如我们所见，探测器测量垂直方向上的动量非常仔细。前向与后向的量能器保证了极少的垂直于粒子束的能量或动量可以不被察觉地逃脱，以此确保探测器的密闭性。
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紧凑μ子线圈仪器在两端有钢吸收板和石英纤维，其致密性可以使其将粒子轨道分离得更好。在端帽的黄铜是一种可回收的材料，最初它被用于制造炮弹的外壳。超环面仪器在前向区域使用液体氩量能器来检测的粒子不仅有电子、光子，还有强子。
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重要成员：磁铁
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两个探测器还需要详细介绍的剩余部件是磁铁。磁铁并不是探测器的基本因素，因为它不能记录粒子的性状。但是磁铁在粒子探测中至关重要，因为它可以帮助确认动量与电荷，这是用于鉴定与表征粒子轨迹的重要属性。粒子在磁场中偏转，所以它们的轨迹是弯曲的而非直线的。偏转的方向与程度依赖于粒子的能量与电荷。
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紧凑μ子线圈巨螺线管磁铁长12.5米、直径为6米，是由冷冻的超导铌-钛线圈制成的。该磁铁是此探测器的基本特征，并且是这一类型史上最大的磁铁。螺线管导线线圈绕在一个金属芯上，当电流通过时产生磁场。磁铁中存储的能量与半吨TNT炸药的能量相当。不用说，必须考虑危险预防措施，例如磁铁万一猝息或突然失去超导性。2006年9月，螺线管4特斯拉的测试成功完成，但是当它正式运行时，磁场会略微低一些（3.8特斯拉），以确保它可以运行更长时间。
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螺线管大到可以容下追踪器与量能器。位于探测器外围的μ子探测器在螺线管外面。μ子探测器的4层结构与一个巨大的环绕在引导磁场的线圈上的钢铁结构交织在一起，从而确保了均匀性和稳定性。磁返回轭长21米、直径14米，延伸到探测器半径7米处。事实上，它也是μ子探测器的一部分，因为μ子是唯一已知的带电粒子，可以穿透10000吨铁并穿进μ子室（在现实中，高能强子有时也会进入μ子室，这令实验物理学家很头疼）。在磁返回轭中的磁场让外层探测器中的μ子偏转。μ子在场中偏转的程度依赖于它们的动量，所以磁轭对测量μ子动量与能量至关重要。同时，巨大而又稳定的磁铁结构还起到另一个作用：它支撑整个实验装置，并且保护此装置不受来自自身磁场产生的巨大作用力的破坏。
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超环面仪器中的磁场构造是完全不同的。它有两套磁铁系统：一个是2特斯拉的螺线管，它把跟踪系统包围起来；另一个是外层区域的巨大环状磁铁，它与μ子室交织在一起。当你看到超环面仪器的图片（或者实验本身）时，最引人注目的部件就是这8个巨大的环状结构（见图13-6），以及端帽处的两个附加的环状结构。它们产生的磁场在粒子束轴向方向展开有26米长，从μ子谱仪沿着径向展开有11米长。
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在访问超环面仪器实验期间，我所听过的许多有趣的故事中有一个是关于最初施工人员是如何将磁铁降到地面下的。他们从一个（侧面看上去为）椭圆形的结构出发。工程师在安装磁铁之前将重力因素分离出来，所以他们能正确地计算出磁铁自身的重量，在一段时间以后，这些磁铁构型会变成圆形。
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另一个给我留下了深刻印象的故事，是关于超环面仪器的工程师如何考虑以下问题：由于开凿工程会导致洞穴内静水压力发生变化，从而会导致洞顶每年会稍微上升1毫米。他们重新设计实验，使得这样一个微小的变动刚好可以在2010年将仪器摆到最优位置（最初的计划是2010年开始首次最大限度的运行）。由于大型强子对撞机的延期，结果并不是那样。但是到目前为止，实验的地基已经安置在一个停止移动的地点上，所以在整个运作中它都会保持在正确的位置上。尽管美国职业棒球大联盟前教练尤吉·贝拉（Yogi Berra）的训诫是“作出预测是困难的，尤其是关于未来的预测”，超环面仪器的工程师却做到了。
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庞大的计算能力
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一个缺少了描述大型强子对撞机的庞大计算能力的介绍是不完全的。除了前面考虑的追踪器、量能器、μ子系统和磁铁中的卓越硬件之外，世界范围内的协同计算对于处理众多对撞产生的海量数据也至关重要。不仅大型强子对撞机比此前能量最高的对撞机Tevatron的能量高出7倍，而且它的速度也快50倍。大型强子对撞机需要处理极其高分辨率的图片——记录发生速率为每秒10亿次的对撞事件。每个事件的“图片”包含1MB的数据。
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这一数据对于任何计算系统来说都太巨大。所以触发系统要决定哪些数据需要保留，哪些需要丢弃。到目前为止，最频繁的对撞是在普通质子之间通过强相互作用发生的作用。没人关心这些绝大多数的对撞，因为它们代表了已知的物理过程但没有新物质。
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质子对撞与两个装满豆子的袋子的碰撞，在某些方面有相似之处。因为袋子是软的，大部分时间它们皱缩而疲软，在碰撞中不会产生有趣的现象。但当袋子偶尔猛撞在一起时，单个豆子会以较大的力度互相碰撞——这种力可能大到让袋子破损。在这种情况下，发生对撞的单个豆子会快速飞出，因为单个豆子十分坚硬，其局部的能量很高。而其他没有发生对撞的豆子会沿着原路继续向前飞行。
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类似地，当粒子束中的质子彼此撞击时，其单个子单元对撞产生了有趣的事件，而其余的质子成分会继续沿着粒子束管道照着相同方向飞行。
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与豆子的碰撞不同，豆子仅仅碰撞然后改变运动方向。当质子猛撞对方时，内部成分（夸克、反夸克、胶子）互相撞击时，最初的粒子可以转变为能量或者其他类型的物质。在低能时，对撞只涉及三个带有质子电荷的夸克；而在高能时，量子力学的虚拟效果产生了可观数目的胶子与反夸克，正如我们在第6章所看到的。有趣的对撞来自这些质子中亚组分之间的碰撞。
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当质子能量很高，它内部的夸克、反夸克、胶子的能量也相应会很高。然而它们的能量不是质子的全部能量，只是其中一部分。更多的情况是，夸克与胶子以质子的少部分能量发生碰撞，以至于不能产生比较重的粒子。正是由于这些较低的相互作用强度或者较重新粒子的可能性，使得迄今未见的粒子或者相互作用产生的概率比预料之中的标准模型碰撞的概率低了很多。