即使是諾貝爾獎得主，有時，也會犯錯

歐洲核子研究組織咖啡廳，1995年春天某日近傍晚時分

我剛結束一場大型強子對撞機委員會的會議。該委員會成立于幾年前，旨在評估新型加速器——大型強子對撞機的實驗建議。委員會成員中有一位德國物理學家，他從事歐洲核子研究組織新機器大型正負電子對撞機（LEP）的OPAL實驗。他非常友善，提出的問題很精準；與其他人不同的是，他對我們并不咄咄逼人，而且很明顯，他站在我們這一邊，我們這些年輕的物理學家們所投入的事業(yè)在其他人看來是不可能完成的。他的名字是羅爾夫·赫爾，當我們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時，他成了歐洲核子研究組織的總干事。

穿過咖啡廳時，我遇到了卡羅·魯比亞?？Х葟d是歐洲核子研究組織最重要的場所之一。中央餐廳，實驗室的三個餐廳之一，是最擁擠的，人們也會在休息時來這里喝咖啡，或在晚餐后喝啤酒。我們在這些桌子上討論，交流彼此的想法，尋求解決方案。各個民族的人們都在用不同的語言進行激烈的辯論，這就是為什么我認為餐巾紙也許是現(xiàn)代最重要的科學工具。成千上萬的餐巾紙被用來寫方程式、繪制探測器或討論費曼圖，它們構成了所有新交響曲的第一篇樂譜。討論結束后，它們被扔進垃圾桶——但如果它們被收集并被保存下來，我們就能在其中找到過去幾十年來一些最重要的科學見解。

大約一年前，魯比亞結束了他作為歐洲核子研究組織總干事的任期，回到他狂熱的研究活動中，四處奔走。一如既往，歐洲核子研究組織是一座充滿創(chuàng)意和首創(chuàng)精神的火山，最重要的是，這里非常奇妙。我們正在進行的緊湊渺子線圈實驗就源自米歇爾·德拉·內格拉和吉姆·維爾迪的想法，這兩位是魯比亞的學生，是魯比亞在發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子時，在UA1實驗中與他一起工作的年輕人。我相信魯比亞了解我研究中的所有細節(jié)，并且也知道我們的項目基于許多新的想法，其中一些是真正革命性的。

當他帶著慣常的攻擊性口吻對我說：“你在忙活什么呢，緊湊渺子線圈的年輕人？你為什么不來我的辦公室聊聊呢？”我知道我這一小時會很難熬。在這里，我在黑板前，在諾貝爾獎得主的書房里，繪圖、解釋、回答著越來越緊迫的問題。魯比亞非常好奇，很顯然，他正在盡一切努力使我陷入困境。我滿頭大汗，努力保持鎮(zhèn)靜，爭論，為自己辯護。然后，他突然沉默了；在整整半個小時的時間里，他讓我繼續(xù)講下去，不打斷我在黑板上畫東西?！八裕蔽蚁蛩忉屨f，“我想可以建造一個能經受大型強子對撞機輻射的追蹤器。我知道很多技術還不成熟，但我們應該去做。”然后接著說道，“是的，現(xiàn)在的成本可能難以控制，但我們有一些想法可以大幅降低成本……我知道這樣構想出來的探測器似乎很有未來感，但是，如果我們這樣做的話，它將允許我們以能清楚地識別希格斯玻色子的精確度來重建電子和μ子信號。有了這個探測器，我們就把希格斯玻色子裝進了袋子里。”當我放下粉筆，轉身看他的時候，魯比亞臉上帶著一種非常懷疑的表情。很明顯，我告訴他的事他一個字也不相信。他的最后聲明沒有任何余地，這是一項無法上訴的判決：“這永遠不會奏效。你會在水里挖出一個大洞。”

當離開這個房間的時候，我有一個清楚的想法，我對未來幾年的工作重心有了明確的想法：證明可以構建大型強子對撞機的追蹤器，即測量粒子軌跡的儀器。即使是諾貝爾獎得主，有時，也會犯錯。

偉大的追尋開始了

尋找希格斯玻色子的工作并沒有在其存在被假設提出后就立即展開。起初，人們并不完全清楚粒子在新理論中所起的決定性作用。直到20世紀70年代中期，當標準模型最終被科學界接受時，人們才進行了系統(tǒng)的嘗試來驗證其所有預測，包括這種非常特殊的玻色子的存在。

那篇引起實驗物理學家注意的文章發(fā)表于1975年。在經歷了幾十年的瘋狂追尋之后，今天重讀理論家約翰·埃利斯和迪米特里·納普洛斯最初研究得出的結論，也會讓人感到好奇。在描述了新粒子的特征和它衰變的各種方式之后，兩位科學家得出了這樣的結論：“我們向實驗物理學家道歉，因為我們不知道希格斯玻色子的質量，也不知道它與其他粒子的耦合，只不過它們可能非常小。由于這些原因，我們不想鼓勵大規(guī)模的實驗研究，但我們覺得有責任告訴那些將要在希格斯玻色子存在的情況下進行潛在敏感性實驗的人，希格斯玻色子是如何逃離在他們的實驗數(shù)據(jù)之外的?！?

沒有人會想到，在這樣謹慎的言辭之后，物理學史上耗時最長、耗資最大的粒子追尋終將結束。標準模型賦予了希格斯玻色子一個非常明確的角色，并精準地確定了它的所有特征。除了一點，對于那些將要尋找它的人來說，這是最重要的：質量。理論上，它是一個自由參數(shù)，就像你正在尋找的東西可以像蝴蝶一樣輕，也可以像大象一樣重。這幽靈般粒子的許多特性取決于質量：首先是可以產生幽靈般粒子的原理以及能夠產生這種現(xiàn)象的可能性；然后是玻色子實際存在的時間段，最后是它衰變并分解成其他粒子的方式。

在這一點上必須記住，自然界中穩(wěn)定的自由粒子，如光子、電子和質子，是少數(shù)。還有一小群其他粒子，如中子和μ子，它們雖然不穩(wěn)定，但壽命足以在探測器中留下信號。不過自然界的絕大部分是由不穩(wěn)定的粒子組成的，也就是說，它們會立即衰變成其他粒子，希格斯玻色子也不例外。因此，我們不能考慮直接識別它，不能指望通過它在測量儀器上留下的直接痕跡而觀測到它。它的存在是根據(jù)它衰變產物的記錄和研究推斷出來的，而質量是決定它將產生哪些其他粒子的決定性參數(shù)。可能性的范圍是巨大的，對于那些敢于追尋它的人來說，這是一個真正的噩夢。這就像在太平洋尋找新的動物物種，卻不知道它們是生活在島嶼植被中的小昆蟲，還是大型深海魚類。

這種情況與W和Z玻色子的研究完全不同。當魯比亞決定修改當時最強大的加速器以實現(xiàn)其目的時，目標非常明確：精確地探索W和Z玻色子可能隱藏的質量區(qū)域。電弱理論自信地預測，它們的質量一定是80—90 GeV[20]——幾乎是氫原子質量的100倍，并且這些粒子所有產生和衰變模式都得到了明確定義。只需要建立一個足夠強大的加速器，并把注意力集中在正確的能源值上即可。

然而，對希格斯玻色子的探索則要復雜得多，且充滿不確定性。首先，它不一定存在。標準模型需要一些機制來打破弱相互作用和電磁相互作用之間的對稱性，但這個機制不一定是布勞特、恩格勒和希格斯所描述的。其他物理學家也提出了不同的模型，當然沒有那么優(yōu)雅，但這也不是自然界第一次選擇與我們想象的不同的路徑。其次，即使掌握了這個非常重要的機制，理論上也沒有什么能阻止希格斯玻色子像電子一樣輕，或者比大質量的W和Z玻色子重10倍。探索它的可能性范圍是巨大的。

如果希格斯粒子是輕粒子，它的間接效應就應該在許多探索過程中已被發(fā)現(xiàn)，而不必建造大型加速器來產生它。另外，如果它質量很大，除了建造一個足夠強大的加速器，沒有其他捷徑。

追尋悄悄地開啟了，但事情從一場錯誤的警報開始有了瘋狂的節(jié)奏。

1984年的夏天，在我們發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的幾個月之后，在德國漢堡附近的Desy實驗室，正負電子對撞機DORIS最近剛進行了升級。從最初的幾個月開始，探測器開始記錄一些非常奇怪的東西。在8.33 GeV左右，一些非常特殊的狀態(tài)正在發(fā)酵，典型的“中性和不穩(wěn)定的東西”以一種無法解釋的頻率衰減。令人興奮的是，這是一個明確的信號：一切都表明希格斯玻色子已經出現(xiàn)了。

這一發(fā)現(xiàn)在最負盛名的場合宣布，即在德國萊比錫舉行的高能物理國際會議上。這是一顆重磅炸彈，立即引發(fā)了激烈的反響和討論。當其他團體探究到相同的信號時，問題就解決了：沒有人看到它們。DORIS自己的物理學家在收集了更多的數(shù)據(jù)后，最終承認信號從未返回過。沒有人知道這到底是一個錯誤，還是統(tǒng)計上的惡性波動。

在接下來的幾十年里，尋找希格斯玻色子的過程中陸續(xù)出現(xiàn)其他錯誤的警報，但是，這頗具爭議的第一次警報的作用，是將發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的重要性推向了關注中心。從那時起，所有新的實驗都把大量的注意力投到希格斯粒子的研究上。

“指環(huán)王”——各式各樣的儲存環(huán)

要發(fā)現(xiàn)新的粒子，首先需要的是一個能夠產生它們的加速器。也就是說，這個粒子加速器能夠讓碰撞發(fā)生，并且在碰撞中形成的能量大于要產生的粒子的質量。這是愛因斯坦著名的質能等價理論的應用。當一束粒子與另一束粒子相互碰撞時，碰撞的能量可以轉化為質量：碰撞的能量越大，產生的粒子質量越大，我們就越接近大爆炸之后宇宙的最初時刻。因此，加速器的競賽越來越激烈了。

用于碰撞的粒子，人們使用的通常是最常見的粒子，其中包括帶電荷粒子：電子、質子，有時還包括它們的反粒子（正電子和反質子）。電荷必不可少，因為可以利用電磁定律使它們加速，并且讓它們保持在軌道中。強電場會產生增強其能量所需的加速度，而強磁場會使加速粒子的軌跡彎曲，使其繞著環(huán)形軌道運動。

一種早期的粒子加速器使用電子和正電子，它們是點狀粒子。當它們正面碰撞時，就會湮滅，也就是說，它們完全消失了，它們的能量完全轉化為其他粒子。從實驗的角度來看，情況非常清楚，過程也簡單，可以在最接近理想狀態(tài)的情況下產生和研究新粒子。以電子和正電子為基礎的加速器，其缺點在于粒子無法達到太高的能量。這些粒子實際上是輕質的，當它們在環(huán)形軌道上運動時，它們通過輻射損失了相當一部分的能量，也就是說，它們會發(fā)出一種特殊形式的光，也被稱為同步輻射。

使用質子（或反質子）的加速器則不存在上述缺點。質子比電子重得多，發(fā)出同步輻射的可能性要小得多，因此質子可以被加速到更高的能量。然而，與電子不同，質子不是點狀粒子，而是由夸克和膠子組成的復雜結構。這使得碰撞更加復雜。

如果我們可以將質子擴大到一個房間的大小，就會發(fā)現(xiàn)物質的區(qū)域將只占總體積的很小一部分。組成這個空間的夸克，以及相互交換且因為自身之間的強相互作用而留在這個空間的膠子，直徑都只有幾毫米的大小，因此，在大多數(shù)情況下，當兩個質子發(fā)生碰撞時，沒有發(fā)生什么真正有趣的事情就不足為奇了。在大多數(shù)情況下，碰撞是在外圍發(fā)生的，兩個質子在一定距離處相互作用，并從碰撞中毫發(fā)無損地出來，只是略微偏離了它們原來的運動軌跡。當碰撞變?yōu)槟撤N正面碰撞時，質子會分裂，部分能量會轉化為新的粒子。在極少數(shù)情況下，正面碰撞影響到夸克和膠子物質集中的小區(qū)域時，可以利用的能量最大，而且在極罕見的情況下，會產生質量最大的粒子，包括可能是前所未有的粒子。由于只有一小部分的質子參與了夸克或膠子之間的正面碰撞，可用于產生新粒子的最大能量也只是加速質子總能量的一小部分。

過去幾十年的經驗告訴我們，主要的兩類加速器在某些方面是互補的。電子加速器是進行精確研究的理想工具，而質子加速器則是卓越的探索加速器，是探索能量前沿、尋找新粒子的先驅。

對于兩種加速器而言，能量都是基本參數(shù)。首先，由于低于一定的閾值，直接產生人們所尋找的大質量粒子是沒有希望的。其次，由于產生粒子的概率隨著能量的增加而大幅增加：能量越高，產生的給定質量的粒子就越多。如果我們能產生大量的粒子，我們就能選擇最清晰的衰變模式，促成最明顯信號的特征，或許還能發(fā)現(xiàn)一些基本的東西，幫助我們比其他人更早地了解宇宙。

高能意味著只有使用極強的磁場，也就是非常昂貴的磁鐵，才能阻止粒子沿圓周軌道旋轉。目前技術的發(fā)展是有局限性的。可以達到的最大磁場定義了人們能想到的最小曲率半徑，這就是我們得到現(xiàn)代巨型加速器的方式。

最后，加速器產生的粒子數(shù)也是該特定過程中每秒能夠產生的碰撞數(shù)的函數(shù)。用術語來說，就是所謂的加速器的亮度。加速器的能量和亮度，這兩個基本參數(shù)的選擇是最重要的，它可以決定一項偉大的科學事業(yè)的成敗。

如果人們在定義新加速器的特性時仍然過于謹慎，成本會降低，但冒險可能會導致徹底的失敗。冒低于正在尋找的新粒子的生產閾值的風險，或者能產生一些粒子，但不足以提取出清晰的信號。與此同時，其他人可能建造出更強、亮度更大的加速器，率先發(fā)現(xiàn)這一粒子。沒有人會記得你節(jié)省的資源，而每個人都會永遠記得你的投資是一個失敗的選擇。反過來也一樣。當你做出了一個過于激進的選擇，如果提議的技術太超前，你仍然有失敗的風險，要么是由于無法讓機器運轉起來，要么是由于成本激增。

粒子物理學家就是在這條像刀刃一樣鋒利的薄脊上提出他們的建議，有時甚至拿自己的職業(yè)生涯做賭注。高能物理學是一個競爭激烈的領域。在這個領域中，科學家實現(xiàn)知識領先地位的目標，往往與希望在領先技術領域中保持或占據(jù)領導地位的國家野心交織在一起。在這樣一個滑溜溜的賽道上，偉大的科學成就和巨大的失敗之間區(qū)別可能就是細節(jié)問題。

從沃克西哈奇到大型強子對撞機：一場激烈的競爭

在20世紀的大部分時間里，美國在高能物理學方面處于領先地位。1930年，29歲的歐內斯特·勞倫斯剛被伯克利聘為年輕教授。他找到了一種方法，通過發(fā)明回旋加速器，使粒子加速器更加緊湊和高效，回旋加速器是第一個環(huán)形加速器。其余部分來自巨大的投資和曼哈頓計劃的成功。自那以后，美國歷屆新政府都保證大力支持越來越雄心勃勃的項目，并暗自希望，通過一系列揭秘或許有可能獲得新的、非凡的能源。幾十年來，正是由于一系列不間斷的成功，才鞏固了美國在全球層面無可爭議的領導地位。任何想要參與高能物理學前沿研究的人，都必須獲得一張進入美國實驗室的門票。

在美國，沒有人認為1954年歐洲核子研究組織的誕生是一個真正的挑戰(zhàn)。俄羅斯幾年前也在莫斯科附近的杜布納啟動了其加速器項目，但沒有任何相關的事情發(fā)生。美國獲得的領導地位過于穩(wěn)固，以至于不認為新的歐洲實驗室會在某種程度上削弱其主導地位。事實上，歐洲核子研究組織，在其誕生的頭幾十年里就建造了出色的加速器，并產生了良好的測量結果，但沒有歷史性的重要意義。

魯比亞發(fā)現(xiàn)的W和Z玻色子在美國引起了不小的轟動。美國科學家們已經準備了詳細的計劃，以防錯過這巨大的成功以及肯定能加冕的諾貝爾獎。自1974年起，他們提議在紐約附近的布魯克海文建造一個新的加速器，他們還選擇了一個漂亮的縮寫ISA，即伊莎貝爾（Isabelle），指交叉存儲加速器（Intersecting Storage Accelerator）。

這臺新機器是一臺環(huán)形質子加速器，對撞質心的能量為400 GeV，足以產生和識別人們苦苦尋找的弱相互作用的載流子。它的建造始于1978年，但設計選擇太過冒險，并帶來了災難性的后果，因此立即出現(xiàn)了問題。在定義這臺新機器的規(guī)格時，伊莎貝爾的物理學家提議使用超導磁體。超導性是某些材料一種非常特殊的特性，它對電流通過不產生電阻。通過這種方式，可以避免普通導體的缺點，并以最小的分散產生巨大的電流。大電流是建立強磁場的主要組成，而強磁場是將高能質子保持在軌道上的必要條件；但是超導并不容易管理。首先，因為這些材料中的電阻只有在接近絕對零度時才會被抵消，所以超導細絲必須浸沒在我們已知的最冷的物質——液氦中，溫度約為-269℃。其次，這些材料在強磁場和強電流存在時往往會失去超導性，而強磁場和強電流正是對加速器很有用的條件。這些缺點只能通過非常嚴格的生產和質量控制技術來克服。

起初，伊莎貝爾的設計看起來堅實而周密。1975年生產出了第一款具有正確規(guī)格的新型加速器的超導磁體，并順利通過了所有測試。該加速器項目得到了資助，并被正式批準為對美國具有戰(zhàn)略重要性的倡議。1978年10月27日，一柄鶴嘴鋤砸在地上，標志著建設的開始，一切似乎都很順利。直到1979年1月，據(jù)說可以保證工業(yè)生產的第一塊磁鐵才從西屋運來。它沒有通過所有測試。第二塊磁鐵到來，歷史重演。結果是該項目物理學家和西屋工程師之間無休止的責任推脫。新加速器項目因此延遲數(shù)年，為歐洲核子研究組織打開了機會之窗，而卡羅·魯比亞很好地利用了這一機會。當伊莎貝爾顯然輸?shù)袅擞螒驎r，這個項目就被徹底放棄了。1983年7月，在魯比亞宣布發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的幾個月后，美國在已經花費2億美元之后，宣布取消伊莎貝爾的項目。

1983年的沖擊解釋了物理學家和美國政府的許多后續(xù)行動，現(xiàn)在已經演變成一場在行星層面上爭奪高能物理領域霸權的明確競賽。在與美國的直接競爭中，歐洲核子研究組織第一次證明了自己可以做得更好。我們需要做出反應。

短期內，所有最好的資源都集中在芝加哥附近的費米實驗室，事實證明它能夠主導超導磁體技術，并投入運行兆電子伏特加速器（Tevatron），這是一種正負質子對撞機。與促成魯比亞發(fā)現(xiàn)的加速器類似，但能使質子流達到四倍高的能量。一個新項目立即構思出來了，它將永遠重申美國在該領域的地位，并讓歐洲的野心在萌芽階段消失。

伊莎貝爾實驗關閉的同一年，在現(xiàn)任費米實驗室主任利昂·萊德曼堅定推動下，建造巨型加速器的想法得以實現(xiàn)。超導超級對撞機（SSC）周長達87km，質子可被加速到40 TeV的能量，比伊莎貝爾預測的能量高一百倍，并且該加速器被8700個超導磁體偏轉，類似于上千個磁鐵被兆電子伏特加速器成功開發(fā)。它成為世界上最大、最強的加速器。這使發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子成為可能，并揭示出物質最內在的秘密。最重要的是，它將恢復美國在高能物理領域的首要地位。

必要技術的發(fā)展將使超導體有力地進入分配電功率的新方法領域；管理產生的數(shù)據(jù)量所必需的新方法將會重申美國在高性能計算領域的首要地位。

在里根當政的年代，超級加速器的想法是受歡迎的，它的建造總部選在得克薩斯州的一個半沙漠地區(qū)，靠近達拉斯一個名字叫“沃克西哈奇”的小鎮(zhèn)，沿用了一個世紀前居住在這片平原上的土著人的語言，意為牛尾。44億美元的預算雖然很高，但對美國這樣一個資源豐富的國家來說是可以接受的。畢竟，美國國家航空航天局（NASA）在同一年也承諾向國際空間站提供同樣數(shù)額的資金，這是一個太空合作項目。

超導超級對撞機項目于1987年獲得批準，資金立即開始注入。數(shù)十名物理學專家和數(shù)百名剛獲得博士學位、才華橫溢的年輕人，帶著他們的家人，搬到達拉斯南部的棉花田之間，在那里修建了第一批建筑。在地下幾十米深的地方，巨大的機械鼴鼠開始挖隧道。

與此同時，歐洲核子研究組織懷著發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的熱情，開啟了一項嶄新的、雄心勃勃的項目——大型正負電子對撞機，一個大型電子加速器，致力于對W和Z玻色子這兩個新來者進行精密研究。每年數(shù)百萬的Z玻色子需要將電子和正電子加速到每束45 GeV的能量，并且只有一種方法來限制同步輻射造成的損耗：通過最大化曲率半徑。結果產生了一個周長27km，挖掘到了地下一百米處的巨型加速器。就在魯比亞宣布發(fā)現(xiàn)Z玻色子和W玻色子的神奇的1983年，美國取消了伊莎貝爾項目，萊德曼提出了超導超級對撞機項目。

這臺新機器的主要目的是測量攜帶弱相互作用的玻色子的所有特性，特別是它們的質量和性質，并將它們與標準模型的預測進行比較。他們已經計劃將束流的能量提高到80 GeV，以產生成對的W玻色子，如果可能的話，還會進一步尋找超對稱性或希格斯玻色子。下一步已經在腦海中了。那條隧道將來可能容納一個巨大的質子加速器。如果這項技術可以生產兩倍于兆電子伏特加速器的超導磁體，它可能會導致14 TeV的碰撞。

大型正負電子對撞機的挖掘工作立即開始了。該項目由意大利物理學家埃米利奧·畢加索負責。只要深入日內瓦廣闊的沖積平原，一切便會順利進行，這些穩(wěn)定的沉積物層也許是由汝拉的第四紀大冰川形成的緊實的磨礫層或是由冰磧組成的基質層。當現(xiàn)在的阿爾卑斯山脈還靜靜地立在海底時，這些沉積層一直延伸到了海中。我們在汝拉山下挖掘時，意外接踵而至。汝拉是高壓水的迷宮，是可達到40倍大氣壓的真正的地下河。為了減少穿山隧道的長度，設計進行了多次修改。最初計劃的8km被減至3km左右，所有的努力都是沿著一條避開已知含水層的道路進行，但沒有辦法完全避開它。在山下，隧道是用炸藥炸開的，突然之間，我們面臨著工程師們千方百計想要避免的噩夢。地質地圖沒有預見到的高壓水源侵入了隧道。距離隧道竣工還有幾百米，但工程必須放慢速度，在現(xiàn)場找到新的解決方案。在2008年，加速器的3—4扇區(qū)發(fā)生故障，導致大型強子對撞機癱瘓一年。

盡管困難重重，這項工程仍如期完成，法國總統(tǒng)弗朗索瓦·密特朗于1989年7月14日為龐大的基礎設施建設揭幕。這個日期不是隨意選定的。這個“指環(huán)”是歐洲科技的驕傲，它與法國大革命兩百周年的盛大慶典相得益彰。

當大型正負電子對撞機開始工作并產生出色的結果時，卡羅·魯比亞，是的，他剛剛被任命為歐洲核子研究組織的總干事，正在重新向剛批準了超導超級對撞機項目的美國發(fā)起挑戰(zhàn)。1990年，他向全世界宣布：在新的大型正負電子對撞機環(huán)上（現(xiàn)在擁有電子和正電子），我們將通過質子循環(huán)來建造大型強子對撞機——歐洲版超導超級對撞機。

歐洲核子研究組織新型加速器的能量受到環(huán)尺寸的限制。在27千米的圓周上，即便使用仍在研發(fā)中的最先進的超導磁體，要達到預期的40 TeV的能量也是不可想象的。大型強子對撞機的14 TeV意味著將產生更少數(shù)量的大質量粒子，如希格斯玻色子，因此不太可能在與美國的競爭中獲勝，但是失去的能量可以通過提高亮度來恢復。魯比亞決定大型強子對撞機的亮度將比預期的超導超級對撞機高10倍，但是高亮度意味著非常高強度的束流、大量幾乎不可能管理的粒子，探測器將被輻射燒毀，如此先進的技術被認為是不可能實現(xiàn)的。這是只有瘋子才能想到的東西。

物理學家和加速器專家開始準備這個項目的細節(jié)工作。魯比亞請另一位意大利人喬治·布里安蒂來主導這個項目，喬治·布里安蒂是加速器和磁鐵領域的頂尖專家。這個選擇再合適不過了。布里安蒂提出了一個絕對創(chuàng)新的解決方案，這將節(jié)省大量資金。與其為兩個反向運動的質子束建立兩條獨立的束流線，他建議把兩個獨立的真空管放在一起，讓質子束在同一個磁體中循環(huán)。這是一個聰明的舉動，它使機器所需的磁鐵數(shù)量減半。

因此，已經開挖的大型正負電子對撞機隧道和修建基礎設施的大型強子對撞機能夠指望在磁鐵上節(jié)省大量資金。遵循傳統(tǒng)設計需要的2500個偶極磁鐵，現(xiàn)在只需要一半。簡言之，建造大型強子對撞機的成本將比建造小型強子對撞機的成本低，但能產生同樣的結果。許多人認為這是虛張聲勢，挑戰(zhàn)依然存在。

1992年8月6日，達拉斯酷熱難耐。第26屆高能物理會議在此召開，以慶祝美國新的偉大科學成就。成千上萬來自世界各地的物理學家聚集在這個地方，美國正象征性地準備重申他們的首要地位。他們帶我們去了沃克西哈奇。我們看到了全新的測試線，第一批磁鐵符合規(guī)格。我們參觀剛建成的大樓，里面已座無虛席。我們戴著頭盔下到通往隧道的大坑洞。隧道已經挖了好幾千米，一切看起來閃閃發(fā)光，完美無瑕。盛大聚會的一切準備就緒。

當魯比亞開始發(fā)言時，會議室里出現(xiàn)了一種超現(xiàn)實的沉默?？_用他的數(shù)十張透明膠片激怒了觀眾。結論是生硬的：大型強子對撞機將在1998年完工，它的物理性能將和超導超能對撞機一樣，但成本將減半。

一直名列前茅的美國人，不習慣感受這些膽大妄為的歐洲人的氣息，他們無法掩飾自己的憤怒。每個人都知道魯比亞也是在虛張聲勢。大型強子對撞機的成本不會那么低，最重要的是，在指定的時間內建造磁體是不可能的，但挑戰(zhàn)已經開始，觀眾知道，從現(xiàn)在開始，事情會變得更加艱難。

在歐洲，一群富有冒險精神的年輕人開始為大型強子對撞機項目設計和開發(fā)幾乎不可能完成的探測器，而在美國，超導超能對撞機受到歐洲核子研究組織帶來的壓力，開始遇到嚴重的困難，特別是在預算方面。

早在1989年該項目就進行了一次初步費用審查，將初步概算提高到59億美元。后來，為了確保更好地管理業(yè)務，一個專家委員會提議修改磁鐵的設計，其開口必須從4cm增加到5cm。這看起來似乎是一個小細節(jié)，但隨著更大的開口，磁場就會減少，對整體成本的影響相當大：要么建造更多的磁鐵，要么加長隧道。結果：1991年，該項目的成本估計為86億美元。當無數(shù)次修訂后將整體成本提高到115億美元時，每個人都明白，這個項目已經完了，這是一場災難。1993年10月27日，在關閉伊莎貝爾項目的10年之后，也就是卡羅·魯比亞在達拉斯發(fā)起挑戰(zhàn)的一年后，美國國會以283票對143票的壓倒性票數(shù)，取消了超能超導對撞機計劃。已經挖掘的隧道全長23km，耗資20億美元，在未來數(shù)年里，它將無聲地見證20世紀最轟動的科學失敗之一。1500名物理學家、工程師以及技術人員在幾周內就被解雇了，他們已經在這個項目上工作了數(shù)年。

這件事震驚了整個國際科學界，對美國高能物理學家來說是一次巨大的打擊，他們可能永遠無法從那場災難中恢復過來。

具有諷刺意味的是，在取消超能超導對撞機項目的同一年，利昂·萊德曼，該項目的發(fā)起人之一，出版了他最著名的書籍，該書使得追尋希格斯玻色子的主題成為公眾感興趣的話題——《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》。

不可能的探測器

20世紀90年代初我們在歐洲核子研究組織以小組的形式，討論當時正在設計的新型加速器——大型強子對撞機，距今已經二十多年了，這一切如同昨日發(fā)生的一樣。我還記得在歐洲核子研究組織咖啡廳的餐巾紙上，圍繞用鋼筆勾畫的巨型探測器概念圖展開的熱烈討論。

那些年有著充滿激情的討論、令人難以置信的熱情和讓人痛苦的失望。還有一些沖突——經常是激烈的沖突，因為很多同事認為我們有點瘋狂：我們提出的技術太超前了，大型強子對撞機的高亮度環(huán)境太不友好了。許多更有經驗的同事得意揚揚地看著我們，好像在說：“祝你們好運，但你們永遠不會成功。”其他人則對四十歲左右新一代的物理學家感到驚訝，這些物理學家認為自己能在其他人都失敗的地方取得成功——發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。

一小撮先驅者的夢想現(xiàn)在已經成為現(xiàn)實，而且，正如經常發(fā)生的那樣，現(xiàn)在它似乎只是一個由成功和榮耀組成的故事。事實上，這是一次冒險，而且是一次非常困難的冒險，總是處于巨大成功和失敗的風險之間。

現(xiàn)代粒子探測器是一種巨型數(shù)碼相機，原理很簡單。每臺加速器都有一個或多個特殊區(qū)域，稱為相互作用區(qū)，在這里，束流彼此交叉，集中在無限小的尺寸上并引起碰撞。為了記錄和了解碰撞過程中發(fā)生的情況，需要使用探測器系統(tǒng)，這是一種基于高度敏感的傳感器設備，能夠記錄離開相互作用區(qū)的粒子所產生的最微小的能量釋放。

在加速器中，質子以極其密集的粒子束形式傳播。每一束包含大約1000億個質子，當它們到達相互作用區(qū)時，集中在一個直徑約0.01mm、長度約10cm的絲狀區(qū)域。兩個相鄰數(shù)據(jù)束之間的時間間隔是25ns（十億分之一秒），大型強子對撞機最多可以容納2800個數(shù)據(jù)包。或者，大型強子對撞機的碰撞是脈沖式的，在確定的時間間隔內發(fā)生，由一個非常精確的同步電路調節(jié)。相互作用區(qū)周圍的傳感器接收到宣告質子束到達的信號，并準備好讀出電路，以便記錄碰撞過程中相互作用區(qū)周圍發(fā)生的情況。

一切都必須非常迅速地發(fā)生，因為另一組束子立即到達，探測器必須準備好記錄下一個事件。其原理與現(xiàn)代數(shù)碼相機的原理類似。大約1億像素的碰撞圖像是由分布在探測器體積內的單個傳感器組成的，所有的信息都被記錄在磁盤上，以便從容地、離線地檢查圖像。

每張圖片的大小，1兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，與普通的數(shù)碼照片相比并沒有太大的差異。令人驚訝的是速度。大型強子對撞機探測器以每秒4000萬張的驚人速度拍攝數(shù)字照片。如果要保存所有的圖像，數(shù)據(jù)量將會過多。沒有任何系統(tǒng)能夠處理每秒40拍字節(jié)（petabyte）如此龐大的信息流。即使你能做到這一點，你也不知道該把它存儲在哪里。如果用10 G內存的DVD把它記錄下來，我們每秒需要4000張光盤，很快我們就不知道該把它們放在哪里了。在數(shù)據(jù)采集的一年里，這些DVD將超過400億張，疊放在一起將高達40000km。

為了解決這個問題，成千上萬的微處理器被整合到檢測器中，在很多情況下是連接在一起的。當碰撞中發(fā)射出的粒子所產生的信號被局部記錄下來時，微處理器就會重建全局信息，并很快詳細闡述關于碰撞類型的假設。正如我們前面看到的，在絕大多數(shù)情況下，質子之間的碰撞會產生輕粒子和眾所周知的物理現(xiàn)象，所以這類事件會立即被丟棄。而重點是潛在的有趣事件，這非常罕見。做出這種選擇的電路被稱為“觸發(fā)電路”，它在百萬分之一秒內決定哪些事件需要記錄，哪些事件需要丟棄。在每秒4000萬個事件中，最終被選中的不到1000個。因此，信息的數(shù)量將變得可管理，盡管需要開發(fā)基于分布式計算的新結構。實驗儀器的尺寸也令人印象深刻。高能碰撞意味著產生的粒子會衰變，從而產生其他穿透性極強的粒子流。有些在傳感器材料中移動了幾米后才被吸收，有些甚至逃脫了最龐大的儀器，我們只能通過重建部分軌跡來測量其特性。因此，大型強子對撞機的物理設備變成了巨大的建筑物，高達五層樓，且重量如同一艘巡洋艦。

似乎這一切還不夠，傳感器必須是超快速的。碰撞以如此瘋狂的速度接連發(fā)生，以至于只能使用最快的探測器，那些能在不到一秒的時間內記錄到最小信號，并立即為下一個事件做好準備的探測器。

最后，由于大型強子對撞機把一切賭注都押在了高亮度上，在相互作用區(qū)周圍每秒鐘產生的粒子數(shù)量將會非常大，因此，這一區(qū)域周圍的一切——傳感器、電子設備、支撐結構、電纜和信號纖維——都必須具有前所未有的抗輻射能力。否則，在幾個月或幾年的活動之后，這些非常精密的儀器將永遠停止工作，將會損失巨大的投資。

龐大的結構，重達數(shù)千噸，包含數(shù)百萬個超高速傳感器，抗輻射并且智能，能夠在幾百萬分之一秒內評估新收集的事件是丟棄還是值得記錄。難怪當我們提出構建大型強子對撞機探測器時，每個人都認為我們瘋了。我們都知道事情一點也不容易。