作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014/10/15 9:25:28
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欧洲大型强子对撞机2015年3月将重启

 

当LHC恢复运行后,循环的成对质子光束以不同的方向在环中运行,并将获得设计的每束7万亿电子伏(TeV)的能量。

图片来源:Andy Potts

Mike Lamont抓起桌子上最后一块羊角面包,边吃边走过欧洲核子研究中心(CERN)控制中心。现在是中午,巨大的蓝色房间里挤满了盯着计算机屏幕的物理学家。作为CERN光束部门的运行经理,Lamont解释道,他们在进行运行测试,以确保意外的计算机电力中断不会影响电网、真空管和超导磁铁,它们组成了CERN的大型强子对撞机(LHC),这是世界上最强大的粒子加速器。

这是能让Lamont和同事在晚上睡个好觉的诸多检查中的一个。他们已经接近完成一个主要的翻新工作,该工作始于去年3月。他们已经开始冷却加速器27公里长的超导磁铁环,为明年的重新启动作准备。但当LHC恢复运行后,循环的成对质子光束以不同的方向在环中运行,Lamont和同事将推动其获得设计的每束7万亿电子伏(TeV)的能量。

Lamont清楚地知道一旦出现错误,将会发生什么。2008年9月,该研究小组尝试倾斜升温这台耗资50亿美元的对撞机到这一能量数字,但最终导致漏电,致使该设备1年多无法使用,并花费了数千万美元进行修理。

“从那时起,我们学到了有关这台机器的很多事情。”Lamont说。研究人员设法修理了这台机器,并在2009年年底重新启动,但他们仅以设计功率的一半运行LHC,以避免再次停工。不过,这也足以碰撞出科学家长期寻找的希格斯玻色子的决定性证据。

LHC物理学家希望从该机器的运行中获得更多东西。新发现的希格斯玻色子是唯一的此类粒子,还是仅是整个家族中最轻的成员?或许高能量将产生其他未被纳入标准模型的新奇异粒子。

数十年来,理论学家一直在预测这种粒子的存在。寻找超对称性粒子将是这台重新启动的机器的主要目标。甚至还有可能出现更特殊的结果,例如超越常见的三维空间维度。但一切的前提是,Lamont和同事能让LHC全功率运转。

滴答声和嘶嘶声

走出控制中心,Lamont戴上头盔、穿上过膝靴子和应急呼吸器,然后走进电梯,降入100米的地下。电梯门在服务走廊中打开,从这里有一条通道通向LHC隧道,隧道里,一连串圆柱形、亮蓝色的磁铁弯曲着伸向远方。

即便已经在这里工作了25年,Lamont说自己依然对这台复杂的机器保持着敬畏。LHC能发出嗡嗡声、滴答声和嘶嘶声,并且它的隧道有金属、尘埃和温暖电路的味道。这个15米长、35吨重的磁铁被千斤顶从混凝土地板上撑起,里面塞满了错综复杂的电线和管道,这些包围着穿过其中心的密闭的束流管。

为了避免另一次短路,LHC装配了传感器和数千米长的电缆,以探测电泳最微弱的信号。至关重要的是,连接磁铁的1万个超导连接器被加强或取代——超过250个人用1年多时间才完成这项工作。

自6月开始,该研究小组已经将磁铁冷却到1.9开尔文的运行温度,在这一温度下,产生磁场的载流电缆会具有超导性。要保持这一过程易于管理,LHC环被分成8个部分,各部分能被单独冷却。一旦磁铁被冷冻,研究小组就会进行电测试,以确保它们能高功率运行。

Lamont已经知道,事情不会一帆风顺。在地上测试中,一批磁铁表现很好,但出于某些原因,“熄灭”或丧失了超导性。他表示,这不是灾难,但修理磁铁需要时间,“有数百个家伙!”

但最终,质子束将再次穿越LHC——目前计划时间为2015年3月。在那之后,还将进行数周测试,然后物理学家将开始指导光束进行碰撞,检验探测器是否能安全地收集数据。

隧道里出现模糊的烧焦味。Lamont解释道,真空管要加热到能赶走迷路的微粒。在另一侧,躺着LHC四个主要粒子探测器之一——ATLAS。很快,高能质子将被点燃穿过这里进入ATLAS。

系统升级

离开ATLAS约8.5公里后,LHC环的背面,Tiziano Camporesi抬头凝望着12500吨重的紧凑渺子线圈(CMS),并对30年前设计它的物理学家的大胆尝试感到惊讶。“他们一定是疯了。”他说。许多人声称这台机器太过复杂,无法运行。但它成功了,Camporesi说,并且“远好于我们的预期”。CMS和ATLAS正是2012年识别出希格斯玻色子的探测器。

作为CMS合作项目的发言人,Camporesi正在协调明年的高能运行活动。在LHC停顿期间,他的团队已经进行了一些必要的修理和升级工作。他们带来了好消息:在探测器的中心区域,光束在这里相交且新产生的粒子从碰撞点向外爆炸,敏感的硅追踪器完好地保存下来而未受辐射损伤。但CMS物理学家替换了几个产生错误结果的光电倍增管。

Camporesi尤其感到自豪的是,在每个碟形室的两端增加了CMS,以提高探测渺子的能力。这一升级将加强探测器的“触发器”,这是电子学和软件的结合物,监控穿过探测器的粒子流,并寻找未来值得研究的重要事件线索。Camporesi说,数十年来,物理学家一直在使用此类触发器。

但LHC的未来运行将不仅提高光束的能量,还将增加携带的质子数量。结果是,将在CMS内每秒发生10亿~20亿次碰撞。在这些事件中,触发器必须决定储存哪些数据用于未来研究。“这现在占用了我们的大部分时间。”Camporesi说。

大数据挑战

一旦整修一新的LHC重新运转,来自CMS和其他探测器的粗略电子信号将通过光纤回流到CERN主要园区。电缆与实验室的计算机中心直接相连。处理器将对输入数据进行分析,以确定每次碰撞产生的粒子的身份、能量和方向。结果将被保存在磁带里——这种老式的媒介比数字存储更便宜、更持久。

但是,仅仅存储信息无法满足研究人员的“胃口”。目前,物理学家花费大部分时间编写数千条计算机代码,从数百万次碰撞中寻找异常信号。为了满足需求,CERN建立了全球计算机网格。这些计算机中心与名为tier-2节点的150个小型计算机簇相连,这些计算机大部分为大学拥有。

对于终端用户而言幸运的是,他们不需要知道这些。一位物理学家只需要向网格递交项目,制定要检查的撞击事件。网格软件将自动连接控制中心,并传回需要的数据。如果不是这些网格,英国剑桥大学物理学家Jeremy Coles和同事可能现在还在寻找希格斯玻色子。

Coles表示,未来的挑战是处理极高的事件率。在LHC初次运行期间,尽管对探测器触发装置进行了大幅修整,但数据仍然以每年15兆字节的速度积累——大于YouTube网站每年上传的视频总和。当明年LHC重新启动时,加倍的碰撞数目将把这一速率提高到30兆字节。

Coles相信,该计算机网格能够应对这一增长,至少因为技术进步能让计算机中心更紧密。“在过去10年中,网络发展速度非常快,远超我们的想象。”他说。例如,去年,CERN通过两根电缆连接了位于匈牙利布达佩斯的设备,从而扩展了数据中心的能力。

但是,这里的数据不会停止。到本世纪20年代初,LHC的数据猛增产出能力将达110兆字节每年,最终将达400兆字节。“我们目前没有办法处理这些。”Coles说。而让问题更严重的还包括计算机芯片速度停滞不前。

无论如何,当上世纪80年代CERN物理学家需要更好的方法分享信息时,互联网出现了。90年代,当需要更好地访问计算机资源时,他们发明了世界上最大的计算机网格。因此,LHC的科学家有信心解决目前面临的问题。(张章)

《中国科学报》 (2014-10-15 第3版 国际)
 
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