大型強子對撞機3月重啟 功率翻倍每秒產生1GB數據

　　巨獸復活

　　大型強子對撞機重啟倒計時

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　　經過兩年的休整，大型強子對撞機（LHC）將於3月重啟，重啟后的對撞機功率將增加一倍。物理學家准備通過新的實驗，在物理學的標准模型之外獲得突破……

　　邁克·拉蒙特（Mike Lamont）抓起桌上最后一個牛角面包，邊吃邊穿過歐洲核子研究中心（CERN）的控制大廳。

　　CERN是歐洲的粒子物理學實驗室，坐落於瑞士日內瓦郊外。這時已到了上午十點，控制大廳裡擠滿了物理學家，他們正緊盯著房間內的電腦屏幕。拉蒙特是CERN束流部門的運行主管，他解釋說，他們正在進行一些測試，以保証電腦出現意外故障時，不會對大型強子對撞機（LHC）的電子器件、真空管道和超導磁鐵造成影響。

　　LHC是世界上最強大的粒子加速器。在LHC的休整期，拉蒙特和同事需要進行大量的測試，這只是其中一項。這次大休整開始於2013年3月，現在已接近尾聲。目前正在進行的工作是，將加速器中27千米長的超導體磁鐵環冷卻，為加速器的重啟做准備。而一旦LHC重新投入運行，兩束質子束流會在圓環軌道中相向運動，拉蒙特和同事就要拼盡全力，讓質子束能量逼近其設計能量：每束7萬億電子伏特（TeV, 1012eV），這幾乎是LHC此前運行能量的兩倍。每束質子束流都滿載著相當於一輛飛馳火車的巨大能量。

　　重啟之后

　　假如這些粒子的質量不是太大，不超過LHC的最高設計能量，那麼尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標之一，甚至還有可能得到更奇怪的結果，例如發現3維空間之外的更高空間維度的蛛絲馬跡

　　拉蒙特非常清楚，一旦出現意外將會產生怎樣嚴重的后果。他曾經歷2008年9月的那次事故：當時該團隊最后一次嘗試，將這台耗資50億美元的對撞機的運行能量提高到設計能量，結果卻導致電子設備故障，從而中斷運行達1年多的時間，最后花費了數千萬美元的維修費用才修好。

　　“自那之后，我們對這台機器有了更多了解，”拉蒙特說道。研究人員設法對其修理，並在2009年末讓它重新運行了起來。為了避免設備再次“罷工”，研究人員將其運行能量設定為設計值的一半。盡管如此，得到的質子束流能量已足夠高，通過高能質子束的碰撞，獲得了大家追尋已久的可以証明希格斯玻色子（Higgs boson）存在的決定性証據。建立已有40年之久的粒子物理標准模型（standard model）是現代物理學的基本理論之一，希格斯玻色子是該模型中最后一個未經証實的預言。

　　2012年7月，科學家宣布發現希格斯玻色子，2013年的諾貝爾物理學獎就頒給了首次預言這種粒子存在的理論物理學家。面對所有的歡呼與喝彩，LHC的物理學家並未滿足於此，他們希望能從再度起航的加速器中獲取更多信息。新發現的希格斯粒子是否如標准模型預言的那樣，是唯一的該類粒子，還是只是希格斯粒子家族中最輕的成員？如果存在更多的希格斯粒子，它們有些可能就會在更高能量的碰撞中現身。高能量碰撞還有可能產生一些連標准模型都未能預見的、更為奇異的新粒子。

　　理論物理學家對這類奇異粒子的預言已經持續了數十年。20世紀70年代早期提出的超對稱（supersymmetry）理論，是標准模型的擴展理論，該理論認為，每個粒子都有一個更重的超對稱粒子（sparticle），或稱超伴子，而理論上，普通粒子與其超伴子之間存在可以判別的差異。暗物質可能是由這些粒子中的一種或幾種構成的。暗物質雖然看不到，但其質量非常大，可以操控星系運動，但標准模型卻對它隻字未提。假如這些粒子的質量不是太大，不超過LHC的最高設計能量，那麼尋找這些粒子就是加速器重啟后的主要目標之一。甚至還有可能得到更奇怪的結果，例如發現3維空間之外的更高空間維度的蛛絲馬跡。但首先，萊蒙特和他的團隊要讓LHC能夠全力運轉起來。

　　冷卻巨型磁鐵

　　這裡與控制室那種平靜的氛圍完全不同，LHC嗡嗡作響，?嚓聲、嘶鳴聲不斷響起，隧道裡充斥著金屬、灰塵和熾熱電路的氣味，重型千斤頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜復雜的線材和管路，這些線材和管路包裹著密封的束流管道從磁鐵中心穿過

　　從控制中心開車出發，行駛不久，萊蒙特就到達了目的地。他帶上頭盔，穿上包裹著金屬的靴子，背上應急呼吸設備，走進了一部能夠直達地下100米深處的電梯。電梯出口正對一條維護通道，從那再走一小段路程，就能到達LHC的隧道。

　　萊蒙特說，即使已經在CERN待了25個年頭，對這台儀器的威力和復雜性，他仍然懷有敬畏。這裡與控制室那種平靜的氛圍完全不同，LHC嗡嗡作響，?嚓聲、嘶鳴聲不斷響起，隧道裡充斥著金屬、灰塵和熾熱電路的氣味。重型千斤頂將多塊15米長、35噸重的磁鐵，從混凝土地面上抬起，磁鐵中塞滿了錯綜復雜的線材和管路，這些線材和管路包裹著密封的束流管道從磁鐵中心穿過。為了避免再次短路，研究人員為LHC裝備了各種傳感器和數千千米的電纜，哪怕是最微弱的電壓起伏，都能被偵測到。更關鍵的是，連接這些磁鐵的10000個超導連接器都已經得到了加強或替換，光這一項任務，250多位工作人員用了一年多時間才完成。

　　2014年6月起，萊蒙特團隊開始冷卻磁鐵，他們要將磁鐵冷卻至最終的運行溫度：1.9K。在這個溫度下，用以產生磁場的載流電纜會進入超導狀態。為了讓整個降溫過程可控，LHC的加速環被劃分成8個部分，每部分都可以單獨冷卻，而每部分需要花費兩個月時間。一旦所有磁鐵都冷卻下來，就可以進行電氣測試，確保磁鐵在高能量狀態下正常運行。萊蒙特清楚，事情不可能一帆風順。有一批磁鐵在地面上測試時表現得十分完美，但由於某種原因，當其產生的磁場相當於產生6.5TeV的束流時，這些磁鐵就失去了超導性。這算不上災難，修復這樣的磁鐵隻需讓它們循環多運行幾次，直到穩定下來進入正常狀態。但這需要時間，萊蒙特說道，“更何況有幾百個這樣令人討厭的家伙”。

　　無論如何，質子束都將被再次注入LHC，這將是一起劃時代的事件，目前研究人員將這一時間設定在2015年3月。在那之后，再經過幾周測試，物理學家會開始操控束流進行碰撞，然后確認探測器是否安全，之后就可以開始搜集數據了。

　　隧道裡飄浮著一種淡淡的燒焦的氣味。萊蒙特解釋說，這是在加熱真空管道，從而驅散其中的分子。他走過幾塊磁鐵，來到一面巨大的銅鋼金屬牆面前，裸露的束流管在這裡穿牆而過。牆的另一邊就是ATLAS，LHC四台主要粒子探測器之一。很快，一束束高能質子就會從這裡呼嘯而過，飛向ATLAS，它們將在那裡猛烈撞擊，並向其他方向偏折，碰撞殘骸也會通探測器向外噴射。

　　升級探測器

　　LHC下一次運行時，不僅束流能量會提高，其中攜帶的質子數目也將增加。最終，在CMS中每秒將發生10億到20億次碰撞，也就是說，當上一次碰撞產生的微粒還在奔向探測器的途中時，身后已經又發生了50次新的碰撞

　　在LHC環形軌道的另一側、離ATLAS大約8.5千米的地方，蒂齊亞諾·坎波雷西（Tiziano Camporesi）抬頭凝視著12500噸的緊湊子線圈（Compact Muon Solenoid，CMS），30年前設計它的那些物理學家，其膽魄令坎波雷西驚嘆不已。

　　“他們一定是群瘋子，”坎波雷西說道。CMS是一個巨大的圓柱，裡面有大量的粒子硅探測器、超導磁鐵和約束磁場用的厚重鋼鐵。很多人宣稱這台裝置太過復雜，根本無法運行，但它不但運行了起來，“而且遠超我們的預期，”坎波雷西說道。正是CMS和ATLAS在2012年確認了希格斯玻色子的存在。

　　2014年初，坎波雷西被選為CMS的發言人，代表在使用該探測器進行合作研究的3800位科學家。眼下，他正在為LHC的重新運行做協調工作。像LHC所有主要探測器（包括位於其他位置的更為復雜的ALICE和LHCb探測器）的實驗團隊一樣，他的團隊已經在中斷期內對CMS進行了一些必要的維修和升級。他們得到了幸運女神的眷顧：在CMS探測器的中心區域，也就是束流交匯以及新粒子從碰撞點噴涌而出的位置，敏感的硅示蹤器沒有受到輻射損傷，可以繼續使用。但是，CMS的物理學家還是換掉了一些失效的光電倍增管，它們會產生虛假信號，顯示產生了一個新的奇異粒子，但事實上，這個粒子並不存在。

　　坎波雷西尤其對在CMS末端新增的四個碟形腔感到自豪，它們能夠增強CMS對μ子（muon）的探測能力。這項升級最終能提升探測器的“觸發器”水平，也就是一連串電子設備及軟件，它們可以引導碰撞后產生的粒子噴流通過探測器，並在粒子噴流中搜尋特定模式，然后判斷其中是否有值得進一步研究的東西。但LHC下一次運行時，不僅束流能量會提高，其中攜帶的質子數目也將增加。最終，在CMS中每秒將發生10億到20億次碰撞。也就是說，當上一次碰撞產生的微粒還在奔向探測器的途中時，身后已經又發生了50次新的碰撞。觸發器需要對這麼多事件進行分析和判斷，哪些信息值得存儲下來，以備后續研究。研究人員的目標是，將觸發器記錄信息的頻率降低到每秒幾百次，“這項工作現在佔用了我們大量時間，”坎波雷西解釋道。

　　浩如星海的數據

　　重啟后，幾乎每秒將產生1GB的數據，並且數據暴漲不會就此止步，計劃中的對LHC的各項升級工作，將會使LHC產生的數據量繼續增長，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB，但“我們現在還無法處理這麼多數據”

　　重新休整的LHC一旦開始運行，CMS和其他探測器上獲得的原初電子信號，將直接匯集到CERN大本營，然后通過光纖傳遞到計算機中心。那是一間密不透風、沒有窗戶的房間，布滿了密密麻麻的機架，那裡一共裝配有約10萬台處理器，散熱風扇呼呼作響，控制著房間溫度。

　　這些處理器將用算法分析匯集而來的數據，判斷每個從碰撞中噴射出來的粒子的特性、能量和其去向。分析結果將存儲在磁帶上，比起數字存儲方式，這種老式的存儲介質更便宜、儲存時間更久。

　　但是，只是將信息存儲起來，已經遠遠不能滿足研究人員對實驗結果近乎“貪婪”的胃口了。今天的粒子物理學家將大部分時間用在了編寫計算機代碼上，他們編寫了成千上萬行代碼，用於在數百萬個事件中搜尋不同尋常的信號。為了將數據傳遞至這些研究人員手中，CERN搭建起了一個全球計算網格（Worldwide Computing Grid），計算機中心將數據備份下發到分布在全球的13個“1級”電腦中心，然后再由1級節點下發至150個規模小一些的2級節點，大部分2級節點都設在大學中。

　　幸運的是，對終端用戶而言，他們無需為這些細節操心，隻要將程序上傳到網格上，指定要檢查哪些碰撞事件即可。網格軟件會自動將任務分配給有足夠計算能力和存儲空間的中心，計算結束后再將結果返回。我們到訪的這天，在CERN的電腦中心，實時大屏幕上就顯示，單在CERN就有10500個程序正在運行，CERN僅佔網格資源的6%而已。作為英國網格協調員，劍橋大學的物理學家杰裡米·科爾斯（Jeremy Coles）說，要沒有網格，他的同事可能還在如大海撈針般尋找希格斯玻色子。

　　在科爾斯看來，未來的挑戰是，如何處理即將到來的浩如星海的數據。在LHC的第一次運行期間，盡管探測器的觸發器已經過濾掉了大部分數據，但數據還是以每年15PB（petabyte，1PB=1024×1024GB）的速度累積，這比每年上傳到YouTube上的視頻總量還要多。而當LHC在2015年重啟時，加倍的碰撞率將每年產生大約30PB的數據，幾乎相當於每秒產生1GB的數據。

　　全球計算網格是否有能力應對數據的激增，科爾斯對此抱有信心。這不僅是因為技術上的進步讓各計算中心之間的集成度更高，而且“在過去的10年，網絡的傳輸速度已經大大提升，”他補充道。比如在2013年，在受到現有空間和能耗限制之下，他們通過兩根傳輸速率高達每秒100G的光纖，將位於布達佩斯的設備連接進來，擴充了CERN數據中心的處理能力。科爾斯說，從運行上看，布達佩斯的設備和放置在隔壁的設備沒什麼區別。

　　但數據暴漲不會就此止步，計劃中的對LHC的各項升級工作，將會使LHC產生的數據量繼續增長，2020年初將達到每年110PB，最終將到達每年400PB。“我們現在還無法處理這麼多數據，”科爾斯感嘆道。更糟糕的是，計算機芯片的運行速度正在進入平台期，目前最好的商用芯片通常會使用2個、4個或8個處理器來提高運行能力，未來的芯片可能會有更多處理器，但LHC上的代碼隻能在單處理器上運行。要讓代碼在這麼多處理器上並行運行，要將約150萬行代碼重新編寫，這需要數千人花費數年時間才能完成。

　　在20世紀80年代末，當CERN的物理學家需要一個更好的方式來分享數據時，他們發明了互聯網（WWW），而在上世紀90年代，當他們需要一種更好的方式來訪問計算機存儲資源時，又發明了世界上最大的計算機網格。因此對於上述問題，LHC的科學家似乎也應有信心解決。

　　在談及“下一代大型加速器”時，萊蒙特看上去也有著同樣的信心。盡管CERN才剛慶祝完60周歲生日，而LHC也還有20年時間來進行質子碰撞，但實驗室已經開始探索建設80—100千米左右的加速器的可行性了，那將會進一步深入探索物質的結構。萊蒙特同時也指出，LHC雖然在2008年才開始第一次運行，但實際上，早在1984年，研究人員就開始規劃了，因此，“我們現在必須開始考慮下一代加速器的事情了”。

　　稿件來源：環球科學（《科學美國人》中文版）

　　撰文：馬修·查默斯（Matthew Chalmers）

　　翻譯：龐瑋