http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-04-12
CMS
ALICE
LHCb
ATLAS
在经历两年停机维护、加固升级及数月重启准备后，欧洲大型强子对撞机（LHC）当天正式开启第二阶段运行。这是全球最大、能量最高的粒子加速器，也是全球最大的科学实验项目。
英国《自然》杂志称LHC迎来的2.0时代，将继续为人类提供寻找宇宙的新视角。LHC的重启意味着什么，将给世界带来什么？据参与LHC实验的科学家们对新京报记者介绍，两年的检修将能让粒子的撞击来得更“猛烈”，也更安全。
【检修】
LHC为什么要彻底大修？
确保根除爆炸危险；1万块超导磁铁一个个取下来维修
LHC为什么要花整整两年时间维修、升级呢？这还得从2008年的事故说起。经历过事故的CERN束流部门运行主管迈克尔·拉蒙特对记者表示，建成后，LHC就朝着设想中的7TeV能量（宏观世界中每1TeV的能量就像一只蚊子飞行1公里的动能，亚原子层面却是巨大的）的目标冲击，然而一次尝试中，连接着一万块磁铁的五六万个连接装置中的一个出了故障，“一下子炸了好几公里”，这次事故使得整个对撞机中断运行14个月，花费近3千万瑞士法郎维修费用。
“这是惨痛教训，这之后CERN就特别小心”，北京大学物理学院教授钱思进说，他在LHC上的CMS实验项目上工作了20多年。
但事故显现的问题并未彻底解决，包括当初设计时存在的一些缺陷。CERN原计划2012年就关停进行大修，但因发现上帝粒子，推迟到2013年。“这次是彻底的维修，就像心脏手术一样，把最重要的心脏修复了，要把问题一劳永逸地彻底解决。”拉蒙特说。
两年的大修是LHC维修史上前所未有的。拉蒙特说，所有1万块超导磁铁和其连接点，都一个个取下来进行维修和强化，并使其测试。“我们检查，检查，再检查，确保每一个零部件都是万无一失的。”
光在加速器升级上，CERN就花费了6亿多欧元，但拉蒙特说，相对于最初建设时的五六十亿欧元来说，升级花费已相对便宜。
【重启】
如何让管道里质子束飞奔更快？
专门团队负责提供质子束；重启后能量将翻倍
钱思进说，重启LHC并非如启动一个按钮般简单。重启从去年底开始，首先要把上万根超导磁铁一段段地冷却，每段进行检测，直到4月5日才最终把质子束在最低能量下运行，贯通27公里长的束流管全程。“跟发射卫星上天差不多。”他说，要让相反方向的质子束在高能状态下对撞，估计还需要等一两个月。
“昨天晚上第一次达到6.5TeV了。”4月10日拉蒙特在电话中对新京报记者说，“这次质子数量并不多，但已达到6.5TeV了，这是我们今年计划达到的能量。”拉蒙特的团队负责提供质子束。
2010年到2012年LHC的运行被称为“第一阶段”，当时质子束的能量大约控制在设计能量的一半左右，关闭两年后，LHC重启，进入第二阶段，准备往当初预想的7TeV能量冲刺。
现在，重启后的LHC这个庞大的巨兽，将把质子束的能量整整翻一倍。“我们正处在粒子物理学一个激动人心时代的开端：大型强子对撞机将发射有史以来能量最高的粒子束。”美国国家科学基金会副主任克里姆在一份声明中表示，“这种能量量级将为关于宇宙的新研究发现打开大门，而这些事情在两年前还是不可能做到的。”
对撞越多，越明显，科学家发现新东西的可能性也更高。这是LHC重启后的目标。要有更多的对撞，一个办法是增加质子团的数量，另一个办法就是要更多的能量让质子束再接近光速一点。在一个距离已经固定下来的环形对撞机中，质子束无法通过飞更远的路产生更大能量，唯一的办法就是增加磁场的作用，让质子束飞得更快。
【探测器】
为什么需要4个大型探测器？
采用不同设计相互印证
镶嵌在LHC上的一个探测器重量与埃菲尔铁塔差不多。
北京大学物理学院教授钱思进说，无论是CMS还是ATLAS，两者都可用于对各种粒子物理的题目展开研究，重要粒子的痕迹，采用了尽可能不同的设计方法和原理，这是为了用两个独立的实验来相互验证对方的结果。
每两个探测器都像一个巨大“洋葱”，每一层都可以采集一些信号数据。钱思进说，质子束对撞后，会产生很多碎片，每次对撞产生几十个甚至上百个碎片，它们被称为“次级粒子”。
探测器的目的就是要鉴别这些碎片次级粒子，看它们是什么样的粒子，飞行多快等，分析后数据存入计算机，然后由计算机将这些碎片反推导、还原出束流粒子对撞时的场景。
每秒中在探测器中发生的上亿次的对撞源源不断地产生海量的数据是随时传过来的，安装在CMS控制中心，进行第一级值班的科学家监测的计算机收到数据后，做了初步的识别和筛选，之后迅速传给第二级值班的数据中心。“存储下来我们提供的这些数据就像一锅粥，之后各种物理课题的分析组从中挑选对此课题有用的那部分数据来做各种分析。”钱思进说。
■ 专访
中国科学家钱思进
“20多年就做这一个实验”
上一次的LHC备受关注无疑是发现了“疑似上帝粒子”之时。北京大学物理学院教授钱思进在LHC上建造运行的两个大型通用对照组探测器之一的CMS实验项目上工作了20多年。
钱思进也向新京报记者提及发现新粒子的时刻，“真的是非常激动，也觉得非常幸运，我们工作努力奋斗了二十几年，几千人一起，这里头经历了坎坎坷坷，包括耽搁了14个月的大事故，最后有所成果，是几千人一起奋斗那么多年的结果，终身难忘。”说到此，电话那头的他泣不成声。
“我总共参加物理研究工作也就30几年（正好30年前我获得物理博士学位），其中20年扑在CMS这一个实验上。我有时在其他一些场合说，我能把一个实验做好就感觉很不错了，尽力专心致志参加做一个实验，和几千个同事一起最后取得了公众认可。”
他说，虽然在LHC上工作的几千人没有得到诺贝尔奖，但最终2013年诺贝尔物理学奖能授予两位首先提出希格斯玻色子理论的老先生，大家都非常高兴，而在诺奖致辞中，也肯定了他们获奖的原因之一是LHC中大家的工作，在实验上验证了此种特殊粒子的存在。
采写/新京报记者金煜 韩旭阳
[新京报]
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欧洲大型强子对撞机（LHC）是目前全球最大、能量最高的粒子加速器。这个项目迄今已花费65亿瑞士法郎（约合412亿元人民币）。谁在资助这样的大型科研项目？谁是最大金主？经济危机是否会影响科研预算？
【资金】
花费透明网上能查
自2008年试运行以来，欧洲大型强子对撞机（LHC）项目已迈入“七年之痒”。在过去7年中，LHC经历了两年停机维护，期间共花费1.5亿瑞士法郎（约合9.5亿元人民币），而这仅仅是大型强子对撞机项目所耗费资金的一小部分。
LHC由欧洲核子研究中心（CERN）主持，最初的建造经费约26亿瑞士法郎。LHC维持稳定运营，资金是重中之重。欧洲核子研究中心（CERN）媒体部门负责人阿诺德·玛索里耶对新京报记者表示，LHC迄今共花费65亿瑞士法郎（约合412亿元人民币），包括人力资源、物资等费用，这些花费都是透明的，都公开在网上。
“开发大型强子对撞机的直接和间接费用几乎占去CERN每年80%预算”，玛索里耶解释说，“这包括运营，维护、维修和巩固等人力工作，另外还有机器、电脑、实验器材、注入器等物资费用。LHC停机期间大概花费1.5亿瑞士法郎，其中包括维护升级花费1亿瑞士法郎，加速器花费5000万瑞士法郎。”
如此花费众多的资金通过什么渠道得来？玛索里耶表示，欧洲核子研究中心是一个国际组织，预算来自21个成员国，这些成员国按比例承担预算，以2014年11亿瑞士法郎预算为例，德法占最大比例，其次是英国和意大利。
除了政府资金，玛索里耶表示大型强子对撞机项目也不排除有私人经费的可能。不过，CERN核心项目的资金主要来自成员国，来自私人机构的只是很小一部分，实验部分经费会通过来自全世界的资金资助机构，这其中可能包括一小部分私人资金。
【困境】
经济不景气科研差钱
与CERN比肩的欧洲另一重要科研机构欧洲航天局（ESA）也采取类似渠道获得资金。
ESA天文与基础物理总协调人法比奥·法瓦塔对新京报记者表示，ESA有22个成员国，科学项目是唯一的法定项目，每个成员国都要掏钱资助科学项目，费用根据比例来分摊。科学项目只由成员国出资，没有私人企业出资。
“欧洲航天局中科学项目每年经费是5亿欧元（约合32.9亿元人民币）左右，科学项目预算每三到四年制定一次。上一次制定预算是在2012年，从那次到目前为止每年所分到的经费都一样。目前这项预算仍然有效，下一次决定预算是在明年。”法瓦塔介绍说。
相比之下，大洋彼岸的美国国家航空航天局（NASA）就有点被经费拖后腿了。据报道，美国联邦政府准备在2016财年给NASA拨款185亿美元（约合1148亿元人民币），这个数目虽远超欧洲航天局每年44亿欧元（约合290亿元人民币）整体预算，但却不能完全支持现有一些项目，火星探测漫游者和月球侦察轨道器项目就没有包括在2016财年预算中。
NASA的经费从美国联邦政府年度预算中拨款，预算由国会批准，经费用于航天器等研究项目。有数据显示，在过去50年间，NASA的经费每年平均158亿美元左右，上世纪60年代NASA经费曾占联邦预算4.4%。近年来NASA经费在170亿美元左右浮动，占美国联邦预算比例约为0.5%。
奥巴马上台后，NASA的经费受到限制，奥巴马一直抨击“星座计划”超出预算、进度缓慢、缺乏创新，该计划意在重返月球并建立基地。因此，2009年奥巴马政府砍掉了登月及更远载人航天的预算，2010年曾终止“星座计划”。削减经费甚至让热爱航天的美国儿童在白宫请愿网站上呼吁政府给NASA多拨款。
今年1月，欧盟委员会主席让-克洛德·容克揭幕了一项立法草案，这个举措提议从用于科研的“地平线2020”计划中5年拿出27亿欧元用于经济刺激。玛索里耶说：“虽然我们的预算稳定，对未来预算也有信心，但这并不意味着我们对科研经费一点没压力，欧洲核子研究中心（CERN）总干事罗尔夫·霍耶尔就曾在达沃斯论坛上发表文章，呼吁欧洲应该保持科研经费。”
【对策】
携手私营机构开源节流
面对经费紧缩，欧美科研机构也在各自想办法应对，增加资金来源渠道和减少开支。玛索里耶介绍说，CERN正在发起一个筹款倡议，准备资助教育、创新、文化等领域，这个项目的资金主要来自个人、信托基金和私人公司。
NASA为了减少开支将项目外包给私人公司。据《今日美国》报道，随着经费缩水，NASA将越来越依赖通过与私人企业的合作将宇航员送上太空。去年9月，NASA在官网上表示将选择美国公司送宇航员上太空，其中波音公司和太空探索科技公司（SpaceX）得到了合同，分别价值42亿美元和26亿美元。
无独有偶，ESA也会将一些项目外包。法瓦塔表示，ESA会将一些项目承包给私企，例如航天器就是私企制造的，“我们不自己造航天器，因此会把制造航天器项目承包给竞标计划最优的欧洲私人公司。”
对于未来经费前景，欧洲航天局的法瓦塔说，下一次预算会由22个国家部长决定，我们要起草计划申请预算，计划会被专门委员会和外部科学家评估，然后再交给成员国部长审议，这其中最重要的就是科学家会审阅这个预算计划。
面对科研经费现状，牛津大学科学家雷·弗莱彻感叹道：“我们现在正是从一些上世纪90年代获得资助的科研项目中获益”。实际上，在欧美经济疲软的今天，有关将经费更多投入社会福利还是科研项目的争论一直存在。对于这个争论，玛索里耶说：“CERN的强项是使投入的资金能很好回馈成员国，我们对社会的一个很好回馈就是万维网(WWW)，这是CERN询问计划的产物，是由蒂姆·伯纳斯-李在1989年发起的，CERN于1993年宣布开放万维网给所有人使用，这个成果每一天都为每个人带来经济效益。”
对撞机离生活并不遥远
欧洲核子研究中心的美国专家哈维·纽曼表示，高能物理已催生多项技术成果，一些与大型强子对撞机有关的研究已经对人们的日常生活产生巨大影响。
哈维说：“比如，粒子探测器及其方法被应用在各个领域，从石油勘探到机场、港口的爆炸物探测；高能物理学推动了粒子加速器的发展，这已应用在医学治疗、疾病诊断、半导体芯片离子注入工艺、改进子午线等方面。”
北京大学物理学院教授钱思进在LHC上建造运行的两个大型通用对照组探测器之一的CMS实验项目上工作了20多年，他对新京报记者介绍说，新技术的很多用途是人们无法预料的，如同上世纪30年代科学家研究原子核的时候，一开始大家也不知道研究出来有什么用处，“现在看原子核对人类发展的影响虽然也有负面的，但是总的来说还是正面的多，比如80%的用电都是核电提供的，也给大众带来了很大的益处。”
钱思进说，将来粒子物理有什么用处，现在是无法预料的，但我们可以从历史中借鉴，“希望我们在研究的过程中会给公众带来新的广泛应用，像上个世纪初的量子科学带动了后来的半导体、激光等技术的发展，都是在那个基础发展起来的。我们对未来世界的探索，相信在未来应该可以造福人类吧。”
LHC科学家拉蒙特也对新京报记者表示，整个LHC的实验，因为需要高尖端的最新技术，也在推动着工业的发展，特别是在超导、医学诊断、材料学等方面的推动。“当然，LHC是很老的机器，是90年代就开始设计的，在推动技术前沿方面还没有特别明显，”他说，但是今后的下一代加速器很可能会在很大程度上带来新技术的革命。
采写/新京报记者金煜 韩旭阳
【治疗癌症】
在欧洲核子研究中心内，“上帝粒子”研究小组已开始与英国一家名为“先进肿瘤治疗”的公司合作，力求降低新型替代技术的成本。这种癌症治疗新技术，使用该小组科学家已经“驾轻就熟”的带正电的高能粒子束精确作用于肿瘤。与传统放射疗法相比，这种新技术不仅效果更明显，对于健康组织的伤害也大幅降低。
【互联网】
钱思进对新京报记者表示，物理学家在寻找物理学新现象过程中发明的新技术，最终使得大家受益。最典型的是，20多年前CERN的科研人员发明了www万维网技术，也就是现在网民天天都在用的上网技术。“www的发明者和当年的居里夫妇一样做了一件大善事，他们没有把新技术申请专利，而是发布出去让大家都可以免费使用。”
【果蔬灭菌】
如果你看见包装袋上有左边这个叫做“Radura”的标志，那么你的食物已经接受过电子束的辐照灭菌。
超过40个国家利用这项技术杀死苹果、草莓、菠菜等产品中的沙门氏菌或大肠杆菌等生物。费米实验室加速器物理中心主任弗拉基米尔·施尔特瑟夫解释说，这种电子束经校正后可以摧毁病原体，但是不会影响产品本身。
采写/新京报记者 王晓枫
[新京报]