CERN游记
Estimated reading time: 1 minute作者: 一个路过的不愿意透露姓名的假面骑士
对撞机是发展高能物理所必须的实验装置，世界上现存有很多对撞机，典型的正负电子对撞机有北京正负电子对撞机(BEPC)、斯坦福的PEP及SLC、康奈尔的CESR、日内瓦的DORIS、日本筑波的TRISTAN（现为Super KEKB）；电子—质子对撞机有汉堡的HERA；质子—反质子对撞机或者质子—质子对撞机有日内瓦的SPSS、美国费米实验室的Tevatron、俄罗斯的UNK、欧洲核子中心的LHC等；重离子—重离子对撞机有美国的RHIC等。
今年1月份，我有幸能够参观位于瑞士日内瓦欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验装置。世界上其他的对撞机装置也有很多，。LHC则是世界上最大、能量最高的粒子加速器，同时也是世界上最大的质子—质子对撞机。其环形轨道长27公里，加速器主体在地下100米处。
LHC主环上设置有四个碰撞点，并且对撞点附近设置有相应的探测器，包括探测粒子用的超环面仪器ATLAS、紧凑渺子线圈CMS、底夸克探测器LHCb、大型离子对撞机ALICE及全截面弹性散射侦测器TOTEM。不同的侦探器对应着不同的实验项目，本次参观过程中，我参观了LHCb、ALICE、CMS及ATLAS四个实验。
LHCb
日内瓦当地时间1月12日上午9点多，我来到了LHCb实验。清华大学校友、CERN fellow张艳席老师首先给我们介绍了粒子物理的发展历程、CERN的建立的始末及其近年来在高能物理领域取得的诸多成就。
张老师介绍道，LHC的基本工作流程是，首先由50 MeV直线加速器产生质子并送到增强器内进行加速，之后将质子束团注入到26 GeV的质子同步加速器PS中进行二次加速，随后引出并注入到450 GeV的第二级质子同步加速器SPS中进行第三次加速，最终从SPS环中适当地方引出粒子束流并注入到LHC主环中进行加速。预计将质子束团速度加速到7.7 TeV并进行对撞。
随后在张老师的带领下，我们正式进入低下100多米的探测器主体处进行了参观。张老师就探测器如何组装、各器件功能、数据采集及处理方法等进行了详细的介绍。LHCb探测器是多层的圆筒结构。最外层是量能器，它可以测量粒子的能量。量能器很厚，这使得它可以测量几乎所有粒子的能量。量能器的主要材料的铁板，铁板之间的缝隙中，安装有很多闪烁体组成的测量装置。通过光强正比于能量，研究人员可以得到相关的能量数据。中间那一层是径迹探测器（tracker），它通过测量带电粒子在磁场中偏转的轨迹，得出带电粒子的动量。它不能测量中性粒子（如中子）的动量。量能器和径迹探测器的里外顺序是有道理的。因为在量能器中，带电粒子全部被材料吸收（从而测出其能量），因此要放在外面，使得粒子在吸收前留下动量的数据。
LHCb在地下有一个机房，里面有上千个CPU被用来进行数据处理的工作。需要如此巨量的计算能力是因为对撞机产生的信息量太大。工作期间，对撞机每秒产生几千万个事例，每个事例又有上百万个信息单元，这样产生的庞大的数据量，是任何存储介质都难以为继的。因此，通过使用这样的超大计算设备，利用高效的算法进行处理，使得每秒事例数缩减到约1000，大大节省了信息存储空间。之后，这些信息再被传送到地面，进行进一步的处理，这样工作效率就大大提升了。 之后我们也参观了LHCb的地上指挥控制中心，本次行程真的是干货满满。
CMS
CMS位于法国境内，CMS的参观由任忠良老师以及北京大学张冯望东师兄担任向导。我们首先在地上观看了一小段科普影片，之后便进入低下参观探测器实体。
图4 CMS探测器
张冯师兄介绍说，CMS的探测器直径有16米，同样是圆柱形结构，最里面的金色和亮黑色部分，是硅探测器。它有非常好的空间分辨率和时间分辨率，其作用是用来重建粒子轨迹。从对撞部分飞出来的上百亿个粒子，穿过硅探测器会留下信号痕迹。探测器的原理和PN结的工作原理类似，当有粒子穿过的时候，它会打出电子和负电子对，然后电子和负电子对会在电场的作用下加速，再往相反的方向扩散，再扩散过程中又打出新的电子对和负电子对，就是因为它的能量比较高。这是一个雪崩的过程。我们就可以根据它的雪崩放大效应重建出一个比较可见的粒子的轨迹。硅探测器是用来重建粒子轨迹的，基本上百分之九十九的粒子都会直接穿过硅探测器，它虽然具备很好的空间和时间分辨率，但是没法阻止粒子。CMS的全称是紧致µ子螺线管磁铁。内部出来的这些粒子的运动轨迹都是直线的，并且混杂在一起，没秒有上百亿个粒子飞出来，这样的话，很难去分辨每一个粒子。如果它们混在一起，而且速度又非常快，就更难于分辨。因此需要用磁场，因为不同的粒子偏转情况不同，从而将它们区分开。磁场的总大小是3.8个特斯拉，大概是地球磁场的10万倍。之所以要加这么强的磁场，是因为飞出来的粒子能量太高了，较小的磁场没法将它们有效地隔离开来。下面这种多层的很大的结构，也就是CMS的µ子探测器。µ子是一个非常特殊的粒子，它比电子稍微重一点，但是它属于轻子，而且带电。但是它有一个特征，它很容易穿越我们的身体、钢筋混凝土之类的东西，而且只会损失非常少的能量。
在加速器内部，粒子是以束团为单位的，每一个束团内有约一千亿个质子。因为它们带相同电荷，于是就会互相排斥，在加速器内加速的过程当中，它们就会分散开来，或者打出来，有磁铁在这儿，它们就会做一个周期性的磁聚焦，每一个质子都是螺旋形地往前走的，保证它们虽然分离开来，但在每一个周期内，它们又重合到一起，保证它们在对撞前是一个点。而磁铁的工作原理，我们用的是低温超导，我们是用的液氦，其冷却温度大概在零下271度，非常低。
张冯师兄的讲解让我们对加速器结构、原理以及CMS技术等多方面都有了比较清楚的认知，也留下了非常深刻的印象。
ALICE
日内瓦当地时间1月13日下午，我们来到了位于汝拉山脉脚下的ALICE实验，由CERN fellow，Despina Hatzifotiadou担任我们的向导。我们首先在地上参观了ALICE探测器的展厅并且参观了数据管控中心，之后我们便深入地下参观ALICE的装置。
Despina向我们介绍说，ALICE指的是大型离子对撞机实验（A Large Ion Collider Experiment），其中这些离子是铅离子。ALICE探测器位于地下100米(300英尺)，高16米(52英尺)，长26米(85英尺)，重达10000吨。在大型强子对撞机中，加速器和对撞机中的光束大部分时间都是质子。但是对于重离子质子，其束流是裸露的铅核，束流和其他的离子以这种方式碰撞铅核。“在碰撞点，会重新创造类似于宇宙中存在的条件，意味着非常高的温度，万亿度，非常高的密度，是核密度的30倍。”
CMS位于法国境内，CMS的参观由任忠良老师以及北京大学张冯望东师兄担任向导。我们首先在地上观看了一小段科普影片，之后便进入低下参观探测器实体。
在这些条件的共同催化下，会打破组成铅核的质子和中子的一致性，其中的夸克在很短的时间内变得自由。同样，把夸克绑在一起的胶子，在一种被称为夸克胶子等离子体的状态下变得自由。而创造和研究这些数据的目的是研究宇宙大爆炸后立即形成的真实物质的状态，在这种状态下，最初弥漫的状态是稳定的、极端的温度和极端的密度。Despina向我们介绍了大爆炸理论，同时又向我们详细阐述了ALICE如何利用对撞机验证大爆炸理论。
ATLAS
ATLAS是我在CERN参观的最后一站。在日内瓦的当地时间14日上午，我跟着同行同学一起参观了CERN内部以及其附近的ATLAS装置。本次参观由Jochen Jens heinrich担任我们的向导。
Jochen向我们详细介绍了ATLAS的相关结构、各器件作用、探测任务及目标等内容，他介绍道，LHC主要由磁铁、真空系统、低温系统、加速腔、注入器、RF系统、保护系统、计算机系统、探测器等组成。LHC使用了数千个型号各异、种类不同的磁铁来给粒子束流指引方向，例如LHC在全长约27公里的隧道中，投入了1792块超导磁铁用于偏转粒子束团，使用292块巨型聚焦磁铁使得粒子束团聚焦。而ATLAS是LHC上的一个通用探测器。ATLAS实验主要要目标是探索形成我们宇宙的物质的基本特性和基本作用力，包括寻找和研究假想中的希格斯粒子（上帝粒子），而ATLAS已经正式发现了希格斯粒子。ATLAS实验还将探索物质和反物质之间的差异、宇宙“大爆炸”初期产生的夸克—胶子等离子体，以及进一步探讨自发对称破缺和各种粒子质量的来源，探索新的规范玻色子，研究新发现的顶夸克及相应层次粒子的各种特性等。
结语
本次CERN之行对我而言收获非常大，我不仅对高能物理进展及概貌有了一定的认知，也对探测器的知识有了更加深入的理解。本次参观中ALICE及ATLAS的向导是外国人，对我的听力及口语都有了极大的提升。尤其有感悟的是，CERN及其四个实验所处环境都十分优美，日内瓦真的是一个美丽的城市。以后有机会的话，必定会再访日内瓦、再访CERN！