揭开未知宇宙的奥秘

质子是一种非常坚韧的粒子。宇宙大爆炸后仅 0.00001 秒，当整个宇宙压缩到比太阳系还小的空间时，第一个质子从混沌的宇宙泡沫中结晶出来。其余的质子也很快出现。在过去的 138 亿年里，质子大部分都保持不变——与电子结合形成氢气，在恒星中聚变成更重的元素，但它们始终保持着质子的形态。而且它们还将继续保持质子的形态数十亿年。然而，那些不幸的质子，它们静静地躺在瑞士小镇梅林（Meyrin）地下 300 英尺的氢气罐里，离日内瓦机场只有几英里。它们——它们有麻烦了。

等你读到这篇文章时，一个强大的电场将开始从这些氢气中的质子身上剥离电子。无线电波将推动这些带电的裸露质子，加速它们通过被誉为已知宇宙中最令人印象深刻的管道系统（参议员史蒂文斯，互联网算什么）。这条大型强子对撞机（LHC）中的管道只有一个目的：不断为这些质子注入更多能量，将它们推向爱因斯坦设定的无法逾越的宇宙速度极限。

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然后，突然停止。一对质子将在一个重达 2700 万磅的硅和铌钛超导线圈组成的笼子中央发生正面碰撞。它们将不复存在。这些质子将以如此巨大的能量、如此集中的力量碰撞，以至于它们会发生嬗变。它们会转变成μ子、中微子和光子。对我们来说，这些都是“垃圾”。但大约每万亿次碰撞中，也许会发生一次——没人确定——它们会变成我们从未观察过的新东西。这些质子，这些携带高速列车能量的微小物质颗粒，将触及假想领域，并带回一小部分。

我们对它们会变成什么有一些猜测。它们可能会变成一个叫做希格斯玻色子的“缺失粒子”——从而通过实际观测来完善描述已知一切的“宇宙标准模型”。或者它们可能会消失在暗物质中，从而满足天文学家们几十年来观察到的宇宙充满未知来源和成分的质量的需求。或者——这是每个人真正希望的——这些嬗变的质子将超出我们的想象。它们将向我们展示意想不到的、出乎意料的、（暂时）无法理解的事物。也许，谦逊的质子会给我们带来惊喜。

深入兔子洞

“他们昨天启用了视网膜扫描仪，”欧洲核子研究组织（CERN，简称欧洲核研中心）的粒子物理学家史蒂夫·戈德法布（Steve Goldfarb）警告说，这里是LHC的所在地。“我希望这会起作用。”他走进安全门，绿色的电话亭式门在他身后缓缓关闭。墙上的扫描仪将他眼球后部的血管模式与数据库中的授权人员进行匹配。该系统确保追踪到每一个人，以便任务控制室确切知道谁进入了隧道。一个月后，进入隧道将变得稀少。一个月后，粒子束将启动。

访问已授予。我们与穿着T恤和脏工作裤的粗壮承包商一起等待电梯——他们说着波兰语和法语的低语，警惕地看着记者的笔记本，头上戴着为访客预留的红色安全帽——然后走进电梯，按下地下 1 层按钮。我们要去 ATLAS。探测器。中心。这是数万名物理学家多年工作的结晶，当我们走出混凝土走廊，听到回荡在整个腔室里的钢锤敲击声时，很明显，它还没有完全完工。

尽管它经常被比作巴黎圣母院的内部，但这个腔室看起来不像哥特式圣所，更像《星际迷航》中的相位仪室。一个高达 80 英尺、重达 1500 万磅的硅钢“擀面杖”停在中间，看起来随时准备发射。不同的是，在这里，发射是反向的。一个月后，一旦液氦将磁铁冷却到比绝对零度高 1.9 开尔文（即 -456°F）时，近光速的质子束将不再向外发射，而是向内汇聚，在探测器的中心相遇。（在法国乡村的另一边，相隔五英里，还有一个同样灵敏的探测器 CMS。这两个小组将互相核对工作，并进行一番友好的竞争，看谁能率先发现新事物。）碰撞会将所有这些加速的能量集中在一个无限小的空间里。然后，这团纯粹的能量将变成其他完全不同的东西。“根据爱因斯坦的

E = m2

，你可以用你拥有的能量制造出质量小于该能量的粒子，”荷兰乌得勒支大学物理学教授、诺贝尔奖得主马丁努斯·韦尔特曼（Martinus Veltman）说。能量转化为质量。简而言之，这就是为什么质子需要如此快的原因——能量越高，LHC就能从以太中召唤出越重的粒子。而越重的粒子越有趣。越重的粒子是新的。

黑暗加倍

关于宇宙由什么构成，我们知道以下几点：有普通的、常见的物质，如质子和电子。此外，还有传递力的所有物质，如光子或引力子，它们能将重物拉到一起。这就是宇宙——物质和力——在过去的 60 年里，物理学家们一直在揭示所有物质粒子和力粒子如何相互作用的细节。所有这些工作的总和被称为粒子物理学的标准模型，任何粒子物理学家都会告诉你，它是人类历史上最成功的理论，其强大之处在于能够预测实验结果，精确度可达万亿分之一。

然而，标准模型几乎可以肯定不是完整的图景。当粒子物理学家忙于构建标准模型时，天文学家和宇宙学家一直在进行另一项任务，一项巨大的宇宙核算项目。他们看到——或者更确切地说，没看到——的迹象表明，宇宙中存在着比博士们想象的要多得多的东西。

如果你出去数一下所有的恒星、星系、超新星等，你应该能估算出宇宙的总质量。但是，如果你用另一种方式估算质量——例如，通过观察星系的旋转速度（星系质量越大，旋转越快）或通过观察星系如何聚集形成大团——你会得出结论，宇宙的质量远超我们所能见。根据最新的估计，大约是五倍。因为它们看不见，所以我们称之为暗物质。

问题是：这些未知的暗物质粒子——标准模型中没有为它们预留的位置。另一个问题是，即使是提出标准模型的人也不认为它是完整的。“该理论提出了太多新的问题，”大卫·格罗斯（David Gross）说，他因在标准模型方面的研究于 2004 年获得诺贝尔奖，“以至于我们确信它在某种程度上是不完整的。”当然，该模型能正确预测实验结果。但它并没有达到物理学家所期望的那种深刻的美感。

为了让标准模型能够正常工作，需要进行大量的“微调”，这对物理学家来说是一个不雅的词，因为它暗示着任意地调整许多小变量以使一切都正确。物理学家会认为，最好是让一切自然而然地平衡。正如费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的物理学家丹·胡珀（Dan Hooper）在他新书《自然蓝图》（Nature’s Blueprint）中所说：“我们所理解的标准模型最终是不稳定的，迫切需要一种新的机制来防止它崩溃。”

这就是“超对称性”（supersymmetry），一种强大的“机制”。超对称性假设每个粒子都只是故事的一半——每个粒子都有一个隐藏的孪生。还记得宇宙是如何分为物质和力的吗？超对称性的核心思想是，每种物质粒子都有一个孪生的力携带粒子。反之亦然：每种力粒子都有一个由物质构成的孪生。物质和力，从某种意义上说，只是同一事物的两种表现形式。

这在实践中是如何运作的？电子会产生选择子（selectrons，即超对称的电子），光子会产生光微子（photinos，别问）。这些额外的粒子，每一种都比它们的孪生粒子更重，会自动平衡标准模型，无需微调。但更重要的是，这些粒子如果存在，很可能就是迄今为止看不见的暗物质。宇宙中充满了超夸克（squarks）、超轻子（winos）和中性微子（neutralinos），这些超对称粒子足够重、足够普遍，足以使“普通”物质的质量增加五倍。宇宙学，你好粒子物理学。

当然，要使这一切说得通，LHC 首先需要找到一个超对称粒子。而问题在于：即使 LHC 制造出了一个超对称粒子——两个质子碰撞出足够的能量，例如产生一个中性微子——该粒子仍然是看不见的。它将穿过探测器的墙壁，进入地壳，然后再次回到太空。看不见意味着它不与普通物质相互作用，而普通物质是我们唯一能够制造探测器的材料。

那么会发生什么？我们如何得知？嗯，我们仔细观察。当两个质子碰撞时，它们会产生一连串粒子。其中大部分将是普通粒子，探测器将捕捉到它们。然后科学家们将寻找缺失的部分。“这有点像夏洛克·福尔摩斯的故事，其中最重要的线索是那只没有吠叫的狗，” CERN 的理论物理学家约翰·埃利斯（John Ellis）说。如果很多东西朝一个方向出来，那么必须有相同数量的东西朝另一个方向出来——这是动量守恒定律。计算你拥有的东西，从中减去你开始拥有的东西， voilà，你可能会瞥见暗物质的踪影。或者至少，它的缺失。

数据爱好者

回到容纳 ATLAS 的巨型洞穴中，物理学家兼导游史蒂夫·戈德法布（Steve Goldfarb）站在离地面 50 英尺高的门式起重机上，在空中勾勒出一条刚刚从碰撞中产生的假想粒子的假想轨迹。“建造如此巨大的探测器的整个想法，”他说，“就是能够画出一条非常精确的线。”令人注意的是，他画的这条线横跨了整个房间。

ATLAS 和 CMS 都会产生如此强大的磁场，以至于“如果你开车一辆公共汽车进来，然后打开磁场，你就会把公共汽车压扁，”麻省理工学院（MIT）的研究生菲尔·哈里斯（Phil Harris）说，他第二天向我介绍了 CMS。（研究生被认为是任何像这样的庞大项目中的“全能苦力”。哈里斯的朋友皮埃特·埃弗拉埃茨（Pieter Everaerts），另一位 MIT 研究生，告诉我他们的一项主要工作是“下去（进入探测器）寻找闪烁的灯光”，这可能表明连接有问题。哈里斯本人则花了数月时间建立一个数据库，以追踪从机器中传出的大量电缆。LHC：美国最聪明、最优秀的人来到这里贴标签。）

压扁公共汽车，尽管其不可否认的强大，但并不是这里的重点。相反，所有这些超导磁体的目的就是让一切都弯曲。当两个质子碰撞时，它们产生的碎片流不会像探测器里的电缆那样带有标签。哈里斯、埃弗拉埃茨以及在 CMS 工作的另外 2000 名科学家必须弄清楚每个粒子的身份。由于磁场会弯曲带电粒子的路径，你可以测量每个粒子的弯曲程度和速度，从而推断出它的电荷和质量。“我们需要了解一切，”哈里斯解释道，“它在哪里，有多少动量，有多少能量。”而且要一遍又一遍地进行，处理每次碰撞产生的数百个粒子，每秒 6 亿次。

这反过来又带来了一个数据过载的小问题。“我们每天产生的数据量将相当于整个万维网的数据量，”哈里斯说，他是一位 25 岁的年轻人，兴奋地说着，头盔戴反了，裤子低垂了六到八英寸。埃弗拉埃茨抬起眼睛，显然在心里默默计算着哈里斯吹嘘的背后数据。“是的，”他郑重地说道，“尽管网络正在飞速发展。”

在十年内完成像 LHC 这样庞大（但有限）的土木工程项目是一回事。每天建造一个新的谷歌是另一回事。“CERN 根本无法提供所有计算组件，”LHC 计算网格（LHC Computing Grid）的负责人伊恩·伯德（Ian Bird）说。取而代之的是，科学家们想出了两种方法来处理所有过剩的数据。

幸运的是（或者不幸的是，这取决于你怎么看），机器收集到的大部分数据都将是“垃圾”。旧闻，早已发现的粒子，已充分研究的现象。探测器中的电子设备会丢弃任何看起来不有趣的碰撞，总计约占原始数据的 99.99997%。

剩余的每秒 200 次碰撞将上传到主计算中心，这是一个装有成排机架式计算机的仓库。在 LHC 的术语中，这就是“Tier 0”。从这里开始，专用的光纤电缆将数据副本发送到全球 11 个计算中心，即所谓的“Tier 1”。（这些电缆包含了你几年前可能听说过的著名的“Internet2”——它的意思只是科学家可以使用这些线路，而不是你。）Tier 1 计算机然后对数据进行校准，并将其分发到数百个 Tier 2 计算中心。这些是分布在剑桥、伯克利和大阪等大学的个人服务器场，共有 10 万台 PC。在这里，将发生“豁然开朗”的时刻。通过使用分布式系统，法国某村庄下的碰撞可以分发到世界各地，由 10,000 名大脑进行深入研究。正是通过这种结构，如同通过磁铁或硅一样，不可能的事情将成为现实。

无所不知

科学的历史充满了傲慢。我们认为我们已经基本掌握了自然界的规律，我们认为我们的理论非常牢固——然后有人做了一个无意中的小实验，出乎所有人的意料，揭示了难以想象的事实。科学家们从未如此自觉地拥抱未知，正如他们在 LHC 所做的那样。尽管标准模型在解释世界方面取得了无数成功，但没有人认为它将是宇宙的全部故事。物理学家们知道，在我们的能力之外，还有更多东西。“我让实验去寻找事物，”约翰·埃利斯说，“希望他们能找到一些不同的东西。”

“我认为我们都想知道我们从哪里来，我们在世界上的位置，”加州大学伯克利分校的宇宙学家、2006 年诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特（George Smoot）说，“但我们中的一些人需要详细了解它是如何运作的。”建造 LHC 所需的 14 年时间、100 亿美元资金和 10,000 人，可以被视为人类好奇心的简单衡量标准，衡量我们愿意付出多少去探索我们的起源和我们在世界上的位置。你可能会想，超对称性是否成立，为什么找到暗物质很重要？但理解宇宙就是力量。“了解物理定律，你就知道什么可以做，什么不可以做，”诺贝尔奖得主格拉德斯·“特·霍夫特（Gerardus ‘t Hooft）说。“了解物理定律可以让你看到未来。”