GMIC 在線 Pro 於北京時間 9 月24-25日正式召開，在25日下午倫敦站的演講中，來自劍橋大學、歐洲核子研究中心的粒子物理學家Harry Cliff為我們揭開了世界最重要的粒子物理學實驗室的神秘面紗。※全文3553字 | 5分鐘閱讀※翻譯＆整理 | 邱施運※編輯 | 朱珍
歐洲核子研究中心，簡稱CERN，位於瑞士日內瓦，是世界最重要的粒子物理學實驗室。
黃線標示的，是備受世界矚目的大型強子對撞機（Large Hadron Collider；LHC）；但在地表上你不會看見相關的建築和設備，因為LHC實際上是一個埋在地下100米的環狀隧道，全長27公裡，全程穿越瑞法邊界四次。
來自中、美、歐、俄等世界各地的粒子物理學家、計算機科學家、工程師聚在這裡，聯手進行一系列任何一個國家都無法獨立完成的科學實驗。
說起來，CERN的研究方向其實極其淺顯而純粹，就是了解這個世界由什麼構成，而這些成分又如何組成各種我們已知的物質，比如不同的原子以及其他更複雜的結構。
已知的粒子標準模型
地球上的每一種物質，都由原子組成。
原子長什麼樣呢？其實就是一個極小的原子核，周邊環繞著一團電子云。
這些電子云，決定了原子的化學特性。而原子核裡住著質子和中子，其中中子協助原子核保持穩定。
在1960年代以前，科學家以為電子、質子和中子是構成物質最基礎的粒子；但後來發現，質子和中子實際上由更基礎的粒子——上、下夸克所組成。
經過對物質結構多年的了解，科學家提煉出了粒子物理學的標準模型。這是一個異常簡單，卻特別美麗的模型。
根據這個模型，電子和上下夸克通過各種組合方式，基本形成了宇宙裡所有的正常物質。
不過在這基礎之上，還要加上中微子，俗稱幽靈粒子。它不帶電而且非常輕。實際上，每秒有數以億計的中微子正穿透著我們，但因為它們和正常物質之間沒什麼反應，所以我們沒有任何知覺。
上圖第一列是我們認識的第一代粒子。
除此之外，實驗中（透過宇宙射線以及對撞機）我們還發現了與第一代完全對應，特性幾乎一樣，但質量較大且不穩定的第二代粒子，我們稱之為奇異粒子。比如μ子，重量約為電子的200倍。其它特性如電荷、自轉、反應都別無二致。
除了第二代，甚至還有質量更大、更不穩定的第三代粒子——至於為什麼粒子會存在這兩代加重版的副本，科學家仍在探索中。
此外，還有一組傳遞力的粒子。
在標準模型（不包含引力）裡，電磁力（負責電、磁、光、X射線等現象）由光子傳遞；強核力（負責把夸克粘起來）由膠子傳遞；弱核力（負責粒子的轉化與裂變）則由W玻色子、Z玻色子傳遞。
最後一種粒子，則是八年前CERN發現、萬眾矚目的希格斯玻色子。宇宙裡所有物質的存在和生成，都與這個粒子有關。
這個模型集合了我們這一刻對宇宙成分的了解。但顯然，它還不是終點。
比如，我們對恆星、星系運行的大量天文觀測都顯示宇宙間存在著一種「隱形」、不和光互動的暗物質，而且比我們已知的正常物質還多上五、六倍。暗物質不是標準模型所能解釋，所以這個模型裡必然還有缺失的碎片。
這也正是CERN的實驗的主要目的——探尋新的粒子，或者發現關於粒子的新現象，為其他更大的問題提供線索。
未知的粒子實驗原理
尋找新粒子的方式，主要是透過LHC大型強子對撞機進行實驗。顧名思義，就是把粒子撞在一起。
LHC有個暱稱：原子粉碎者。這無形中給了人們一種印象，LHC是通過把粒子砸碎來查看它們的成分。但其實這並非LHC真正的意義，LHC真正做的，是用能量製造粒子。
大致的原理是把兩個粒子加速到接近光速，高速意味著高能（動能）。當這些高能粒子碰撞在一起，它們攜帶的能量會轉化成質量（著名的愛因斯坦方程：E=mc2 ）。能量越大，有機會產生的粒子就越重越多，發現不同物質的機率也越高，比如暗物質。
加速
首先，氫氣在電磁場下離子化（氫分子中的氫原子分離，並失去電子）。
接著，這些質子經過一系列的加速器，進入全長7公裡的超級質子同步加速器（Super Proton Synchroton；SPS）。在1980年代，SPS曾是CERN最強力的粒子加速器，而如今它扮演的角色更像是一個高速公路入口，把粒子滑入更強大的LHC進行加速。
抵達LHC的，是兩束相反方向的粒子，一束順時針、一束逆時針。
有趣的是，在LHC長達27公裡的管道裡，真正負責加速的，僅是當中約30米的一小段，我們稱作加速腔；其餘部分只是作為跑道（簡單的「跑道」也有很強大的技術支持，敬請關注公眾號後續推文），讓粒子一次次繞回原地經歷加速，直到它達到它最大的速度，約99.999991%光速。
這個加速腔就像是一個金屬盒，盒子內部設置著快速來回振蕩的200萬伏特電場。當粒子靠近加速腔，電場對它產生吸引力；當粒子離開加速腔，電場再反轉，把它排斥出去。如此一拉一推，對粒子進行加速。
對撞與探測
LHC裡，有四個主要的對撞實驗點，分別是LHCb、ATLAS、ALICE及CMS。在這些位置設有大型的探測儀器，負責拍攝和記錄這些碰撞的資料與細節。
CMS、ATLAS和ALICE的探測器，造型上相當特殊詭異，頗像電影裡的星際之門，並且規模非常大，如CMS，高達15米、長達25米，重達14000噸；ATLAS則更為巨大，25米高、45米長。
在這個油桶狀結構的中心，高能粒子進行碰撞，而周圍一層層的同心圓儀器則負責記錄下各種不同的信息，從而得出不同粒子的歷史軌跡。
第一層是跟蹤器，一般由矽等半導體所製成。當帶電的粒子穿過，它會留下微小的電信號，成為粒子前進去向的證據。
第二層是量能器，本質上是探測器裡高密度的部分，作用在於吸收粒子所有的能量，使之停下來。通常情況下，當粒子撞擊量能器，它們會釋放出大量的光。記錄下這些光的能量，也能反過來推導出粒子的能量。
第三層是超導螺線管，目的在於產生強大的磁場覆蓋探測器整體的空間，使帶電粒子在移動中拐彎。拐彎的方向，能告訴我們粒子帶正或負電（或不帶電）；而拐彎的曲率，則能告訴我們粒子的動量（動量=質量×速度），動量越高，曲線越直。
最邊緣的一層是μ子譜儀，負責檢測μ子，即前面提到的加重版的電子。因為它們很重，同時不與強核力相互作用，它們實際上可以穿透前面幾層，直到探測器的邊緣。
相比於CMS、ATLAS和ALICE（一層層同心圓的桶型），LHCb由一層層線性層組成的片狀探測器，沿著粒子的前進方向而設。但整體上，這些探測器的運作原則類似，儘管其中一些探測器安裝了額外的子探測儀。
將這些資料信息匯總起來，我們就能重建出這些粒子對撞的三維圖像。
儲存和分析
粒子物理學家的任務，就是瀏覽這些數據和圖像，從中找到新的線索或證據。
但在一個實驗裡，每一秒進行著約1400萬次的對撞。之所以製造如此大量的碰撞，是因為我們要尋找的結果非常罕見。這就像是擲一個百萬個面的骰子，其中只有一兩面是我們感興趣的。
如果把各個實驗點的碰撞都加起來，這可達每秒10億次，相對於每秒1000TB（註：計算機裡的字節單位，1TB=1024GB）的數據。LHC每年從四月一直運作至十二月聖誕前夕，每周7天、每天20小時，一年下來的總量更是達到10ZB（1ZB=10244GB），根本記錄不了。
在這些天量信息中，科學家必須根據感興趣的事件編寫一些算法，我們稱作觸發機制，把不重要的事件過濾掉，留下滿足條件的數據，進行研究和查看。
如此一來，一年10ZB的數據能有效縮減到30000TB。但即便如此，這對於CERN計算中心仍然是海量的數據，不可能由單一中心處理。
所以，一個全球分布式計算系統——Worldwide LHC Computing Grid（WLCG）結合了42個國家、170多個地點的逾900000臺計算機，充當一臺巨型超級計算機，供科學家實時儲存及分析LHC的資料。
其中一個最普遍的分析方法，是將數據繪製成圖表，從圖表中的異常捕捉新的未知現象。
比如2012年，粒子物理學家從CMS和ATLAS在同一個地點和時刻發現了數據上某個不尋常的拐點。經過一系列研究，我們證實了它就是希格斯玻色子。
無盡的好奇未來計劃
從1950年代開始，CERN持續地放眼更強大、更宏偉的粒子加速器。因為更大的加速器，意味著更高的能量，以及更多有趣的新現象。
幾個月前，CERN剛宣布了下一代對撞機的建設計劃，稱作未來環狀對撞機（Future Circular Collider ；FCC），全長100公裡，基本覆蓋了阿爾卑斯山及汝拉山脈之間的整個日內瓦盆地。在它面前，LHC頓時顯得渺小。
這項目一旦確定，它將需要幾十年的時間規劃與落實。屆時，或許我們可以再齊聚一堂，對FCC做一次深入的虛擬探訪。