本文最初发布于 The Conversation。
当您按下微波炉或电脑的“启动”按钮时，设备会立即启动——但大型物理实验，如欧洲核子研究组织 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC)，却不是这样工作的。相反，工程师和物理学家每年需要花上几周时间，仔细重置对撞机及其上的所有实验。
我是一名 CERN 的物理学家，在过去几个月里，我与同事们一起参与了最大型实验之一 ATLAS 的重置过程。为了收集关于粒子碰撞的准确数据并研究宇宙中最引人入mystery的问题，合作团队需要确保设备已正确校准。
在 CERN，大型强子对撞机 (LHC) 以有史以来达到的最高能量将质子相撞，以产生新的粒子，然后物理学家用多个实验捕捉并研究这些粒子。
LHC 探索着 亚原子粒子 的隐秘世界，这些粒子是我们周围一切的基本构件。研究这些粒子有助于像我一样的科学家更好地理解宇宙如何运作以及随着时间的推移如何演化。
LHC 的休眠与唤醒
每年冬天，对撞机及其实验都会进入休眠状态。我和 CERN 的其他团队让它们进入冬眠状态有几个原因。
我们这里使用的 机器非常复杂。我们需要时间来更换零件或安装新组件。而且，考虑到所有这些机器 消耗大量电力，我们避免在冬季运行它们，因为冬季电费更高，而且附近的日内瓦需要为居民供暖。
但是当春天到来时，所有团队都会为 LHC 和实验准备新一季的数据收集。
在工程师和技术人员努力重置加速器并准备好进行质子碰撞时，我和我的同事们（实验物理学家）则准备实验，以便能够及时、正确地收集对撞机产生的粒子的数据。
使用宇宙射线进行测试
在加速器仍在休眠时，实验团队就开始了唤醒 LHC 的第一阶段。即使在产生粒子的对撞机没有工作时，我们也需要开始测试粒子探测器。
在这个第一阶段，我们使用的是大自然本身提供的、一直存在的资源——宇宙射线。这些亚原子粒子是在太空中的高能粒子撞击高层大气中的原子时产生的。
一颗宇宙射线从左侧进入 LHC 中的 ATLAS 探测器。每次撞击传感器时，射线都会损失一部分能量，探测器会将这些能量转换成信号并记录下来。通过连接宇宙粒子经过的所有传感器，物理学家可以重建其到达方向、穿过实验的路径以及其能量。宇宙射线帮助我们训练传感器并验证一切是否按预期工作。
然而，宇宙射线是随机且稀疏的，因此我们无法在所有测试中都依赖它们。对于后续测试，我们使用一种更密集、更可预测的源——亚原子飞溅。
亚原子飞溅以同步所有探测器
LHC 有 大约 17 英里（27 公里）长的管道，质子在其中飞行。管道周围有磁铁，可以引导加速的质子。任何偏离轨道的粒子都会被一个称为“准直器”的小金属块挡住。这个准直器会降入加速器管道的中心，质子会撞击它并与其原子相互作用。
这次碰撞会产生大量粒子，然后这些粒子会作为一个巨大的“飞溅”——或者我们称之为“束流飞溅”——沿着加速器管道同步移动。大约在三月中旬，加速器团队为 ATLAS 实验创建了这些飞溅。
巨大的粒子流一次性撞击实验，这使我们能够验证实验中的所有探测器是否都能正确且同步地做出反应。它还测试了它们是否能够以所需的速度记录和存储数据。
水平 μ 子用于校准
实验中的大多数粒子探测器现在已准备好接收新数据。然而，LHC 中的某些类型探测器需要额外的测试。
其中一个探测器是 ATLAS 实验的瓦片量能器，它是一种测量 中子 和 质子 等粒子的能量的探测器。它由瓦片状传感器组成，测试粒子必须水平穿过这些瓦片才能准确校准探测器。
束流飞溅产生的海量粒子喷射不适合校准瓦片量能器。粒子不是以正确的角度入射，并且一次性数量太多。
为了测试瓦片量能器，我们只对 一种特定类型的粒子——μ 子 感兴趣。μ 子与电子相似但更重，它们与周围世界的相互作用方式不同。 它们可以在不损失太多能量或被阻挡的情况下穿过多个传感器行——这使得它们可用于测试粒子探测器。
因此，在三月下旬，我们再次利用准直器进行另一项测试。
然而，这次 LHC 的工程师只将准直器稍微推入质子的路径，所以粒子只是勉强刮到准直器。质子与准直器的金属表面产生的轻微摩擦会产生平行于加速器管道移动并水平撞击 ATLAS 实验的粒子。
我们使用专用传感器来显示由与准直器碰撞产生的 μ 子，并对其进行标记。然后，我们追踪它们穿过瓦片量能器的过程。
这些水平 μ 子依次穿过量能器的所有瓦片，因此我们可以确保它正在准确地收集数据。
准备迎接新的物理学
一旦 LHC 完全校准并准备就绪，它就会 以最大能量加速质子——然后将它们相互碰撞。
经过大约 10 周的测试后，新一季的数据收集工作开始，带来了新的发现梦想。
