歐洲核子中心地下迷宮長什麼樣？跟記者一起來看看吧

CMS已經被打開，幾天之后左右兩部分將再次合在一起開始工作。（何農/光明日報）

日前，記者專程來到日內瓦郊外、法瑞邊境交界處的歐洲核子研究中心（CERN），下降到地下88米的深處，實地參觀了“緊湊繆子螺線管磁譜儀”（CMS）。這一磁譜儀是大型強子對撞機（LHC）上的四個實驗儀器之一，位於法國境內。自2015年3月該對撞機重新啟動工作以來，這是第一次較長的例行停運、檢修。兩個月之后，對撞機將逐步重回工作狀態。

北京大學教授、在歐洲核子研究中心工作的科學家錢思進博士陪同記者參觀並做了精彩講解。他介紹說，這次重啟以來，開始了第二輪為期4年的實驗活動。雖然至今尚未有重要的科學突破，但是對撞機在2015至2016年運行中產生的數據，正在被全球的高能物理科學家們分析使用，未來的科研成果值得期待。

地下深處的無線網

“緊湊繆子螺線管磁譜儀”（CMS）是一個長28.7米，直徑15米，水平放置的圓柱形粒子探測器，總重量12500噸。這是歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的四個大型探測器之一。這四個大型探測器包含在一個周長27公裡的環形隧道中，貫穿瑞士與法國邊境。其他三個大型探測器分別是超環面譜儀（ATLAS）、大型強子對撞機底夸克探測器（LHCb）和大型離子對撞機實驗器（ALICE）。

經過不到2分鐘的下降，記者乘坐的電梯就到達了“緊湊繆子螺線管磁譜儀”（CMS）的工作平台。錢教授介紹說，一般而言，在大城市的摩天大樓裡，人們都會被囑咐說，一旦發生火災等危險，千萬不要乘坐電梯，而要走步行梯，以避免電梯通道中的火焰和煙霧或避免電梯突然停電。但在這裡則完全相反，一旦發生火災等不測，最安全的地方，反倒是電梯井。原因有兩個：一是電梯通道本身是加壓的，即使有火災，火焰、煙霧也不會進入電梯井，而是被推出井外﹔其次，電梯的供電系統是完全獨立的，即使別的地方斷電了，這裡也不會斷電。而且，這個電力系統還有一個備份。所以，電梯，是這個地下約100米的工作平台最安全的地方。

另外一個令人驚訝的事是，在這遠離地表的地下深處，竟然有無線網絡！為了工作方便，雖然這裡有禁止吃喝東西、禁止吸煙等很多禁令，但在這裡上網全無障礙。

接近極限的實驗

大型強子對撞機（LHC）中有9593根超導磁鐵（其中最長的一種磁鐵有15米長，共1232根）構成，兩束以接近光速相反運行的質子束流在這些磁鐵的引導下，在上述四個大型探測器中實現對撞。儀器隨時監控記錄對撞數據，供科學家們分析使用。錢教授說，雖然每秒鐘上億次的碰撞產生了大量數據，但是絕大多數數據都是平凡的、已知的，不包括極其稀有的新粒子。1964年，英國物理學家彼得·希格斯和比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒各自的獨立研究，從理論上預言了所謂希格斯玻色子的存在。近50年來，成千上萬的物理學家在各種實驗中不斷尋找，終於在2012年7月4日，歐洲核子研究中心的科學家在大型強子對撞機（LHC）產生的數百萬億質子對撞中，發現了一些粒子與希格斯玻色子的特征吻合（其概率是一萬億分之一）。這一提取到的實驗証據証實了希格斯玻色子的存在。由此，彼得·希格斯和弗朗索瓦·格勒分享了2013年的諾貝爾物理學獎。而這時，當年與恩格勒教授一起合作的研究者羅伯特·布繞特教授已經在幾年前去世了。

錢教授介紹說，這近9600根磁鐵要在-271.2攝氏度的低溫環境下，才能正常工作。為了達到這個接近宇宙低溫極限（-273.15攝氏度，即所謂絕對零度）的溫度，科學家們要使用大量的液態氮和液態氦。每次降溫的過程，需要約130噸的液態氦，這個用量差不多是全世界液氦年產量的1%。因此，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）啟動前和暫時停止運行后，瑞、法邊境周圍大量背負大罐的卡車川流不息，形成了壯觀的一景。

歐洲核子研究中心的關鍵部分是27公裡長的環型隧道，這一隧道從20世紀80年代開始在地下開挖。2008年9月10日，大型強子對撞機（LHC）開始運行，成為目前世界上最大、對撞能量最高的粒子加速器。大型強子對撞機可以把數百萬億計的質子加速至約光速的99.9999991%，即在一秒內，能夠在27公裡長的軌道上狂奔11245圈。

為何建在地下100米

“緊湊繆子螺線管磁譜儀”（CMS）則首先在地面上分塊建造了約10年。CMS由11大塊組成，這其中的每塊質量都有上千噸，每塊都包含成千上萬個部件。從造船廠租來的專用吊車將這些大塊通過直徑15米多的龐大垂直工作井，送抵深達100米的探測器地下大廳，然后再進行拼裝。15米直徑的垂直豎井看上去很粗，但運輸時每一大塊探測器的部件與豎井壁的間距僅有約10厘米，因此吊車必須小心翼翼、平穩勻速地下降。上千噸重的成型大塊，一旦不慎碰撞上工作井的內壁，后果不堪設想。所以，每大塊的下降時間，都要10個小時左右。

那麼，拼裝在一起的上萬噸重的機器，各大塊之間是如何實現開啟、閉合的呢？這麼重的東西，如何實現成本低、操作方便的移動呢？錢教授介紹說，這裡用的就是氣墊船的原理。用高壓空氣，在每一大塊下部往地面噴壓，使其脫離地面1至2毫米，不再有地面摩擦力時，再使用機械推動。

這27公裡長的隧道為何建造在地下100米深處而非地面上？首先是為了避免輻射。建在地下深處可以讓高能粒子束流運行和對撞產生的對人體有害的輻射被100米厚的土層吸收，這比在地面上在機器外圍建造27公裡長的很厚的“水泥桶”把機器保護起來更安全高效。其次，根據法、瑞有關法律，地表的財產（如土地、樹林、河流和房屋等）有可能是私有的，但地下深處的土地則屬於公有。在地下100米開建，從成本上考慮遠比在地面買地建造要劃算。

據介紹，2008年9月，大型強子對撞機在剛啟動9天后的一次運行中，即發生過一次嚴重的液氦泄漏事故。連接所有9千多根超導磁鐵需要五萬多個接點，由於其中一個接點接觸不良，以至於在超導高電流的情況下發生熔毀，這造成了冷卻液管道破損，因此大量液態氦泄露，形成了重大事故。經過14個月的修復和加固后，對撞機於2009年11月重新啟動並安全運行至今。

歷經60年的使命

1954年，12個歐洲國家（比利時、丹麥、德國、法國、希臘、意大利、挪威、瑞典、瑞士、荷蘭、英國、南斯拉夫）聯合創建歐洲核子研究中心（南斯拉夫后來退出）。現在共有22個正式成員國（以上11國再加上奧地利、西班牙、葡萄牙、芬蘭、波蘭、匈牙利、捷克、斯洛伐克、保加利亞、以色列、和羅馬尼亞），5個准會員國（印度、塞浦路斯、巴基斯坦、土耳其、烏克蘭），1個正在加入的成員國（塞爾維亞），5個申請成員國（巴西、克羅地亞、立陶宛、俄羅斯和斯洛文尼亞），還有5個觀察員國或機構（美國、日本、俄羅斯、聯合國教科文組織、歐盟）。除此之外，還有40多個非成員國與歐洲核子研究中心簽署了科研合作協議。歐洲核子研究中心有2000多名雇員，同時有約13000名來自成員國和非成員國的物理學家來到這裡參與科研。其中，有近百位來自中國的物理學家，他們訪問研究的時間有長有短。經過60多年的運作和發展，歐洲核子研究中心現在是世界上最開放、最國際化、軟硬件條件最好的高能物理實驗基地。

據說，當初在為歐洲核子研究中心選址的時候也有其他候選城市。最終日內瓦因為地理位置靠近歐洲中心、“國際化”程度較高而最終勝出。

錢教授概括道，歐洲核子研究中心共有四項主要使命：一是探索微觀世界，使人類對大自然的理解突破現有邊界，向縱深發展。二是推動新技術的發展，促進新技術應用於人類生活。互聯網絡技術的基礎“萬維網”、醫療診斷的人體掃描和機場或海關等處的安保系統的掃描技術（包括檢測大型集裝箱）等，最初都是由歐洲核子研究中心的科學家們發明或推廣應用的。三是培養新的科學人才，訓練教師和學生。四是團結全世界不同政治、文化、宗教背景、不同膚色的科學家一起工作、為科學獻身。（記者 何農）