第4章 疯狂的实验
即使是诺贝尔奖得主，有时，也会犯错
欧洲核子研究组织咖啡厅，1995年春天某日近傍晚时分
我刚结束一场大型强子对撞机委员会的会议。该委员会成立于几年前，旨在评估新型加速器——大型强子对撞机的实验建议。委员会成员中有一位德国物理学家，他从事欧洲核子研究组织新机器大型正负电子对撞机（LEP）的OPAL实验。他非常友善，提出的问题很精准；与其他人不同的是，他对我们并不咄咄逼人，而且很明显，他站在我们这一边，我们这些年轻的物理学家们所投入的事业在其他人看来是不可能完成的。他的名字是罗尔夫·赫尔，当我们发现希格斯玻色子时，他成了欧洲核子研究组织的总干事。
穿过咖啡厅时，我遇到了卡罗·鲁比亚。咖啡厅是欧洲核子研究组织最重要的场所之一。中央餐厅，实验室的三个餐厅之一，是最拥挤的，人们也会在休息时来这里喝咖啡，或在晚餐后喝啤酒。我们在这些桌子上讨论，交流彼此的想法，寻求解决方案。各个民族的人们都在用不同的语言进行激烈的辩论，这就是为什么我认为餐巾纸也许是现代最重要的科学工具。成千上万的餐巾纸被用来写方程式、绘制探测器或讨论费曼图，它们构成了所有新交响曲的第一篇乐谱。讨论结束后，它们被扔进垃圾桶——但如果它们被收集并被保存下来，我们就能在其中找到过去几十年来一些最重要的科学见解。
大约一年前，鲁比亚结束了他作为欧洲核子研究组织总干事的任期，回到他狂热的研究活动中，四处奔走。一如既往，欧洲核子研究组织是一座充满创意和首创精神的火山，最重要的是，这里非常奇妙。我们正在进行的紧凑渺子线圈实验就源自米歇尔·德拉·内格拉和吉姆·维尔迪的想法，这两位是鲁比亚的学生，是鲁比亚在发现W和Z玻色子时，在UA1实验中与他一起工作的年轻人。我相信鲁比亚了解我研究中的所有细节，并且也知道我们的项目基于许多新的想法，其中一些是真正革命性的。
当他带着惯常的攻击性口吻对我说：“你在忙活什么呢，紧凑渺子线圈的年轻人？你为什么不来我的办公室聊聊呢？”我知道我这一小时会很难熬。在这里，我在黑板前，在诺贝尔奖得主的书房里，绘图、解释、回答着越来越紧迫的问题。鲁比亚非常好奇，很显然，他正在尽一切努力使我陷入困境。我满头大汗，努力保持镇静，争论，为自己辩护。然后，他突然沉默了；在整整半个小时的时间里，他让我继续讲下去，不打断我在黑板上画东西。“所以，”我向他解释说，“我想可以建造一个能经受大型强子对撞机辐射的追踪器。我知道很多技术还不成熟，但我们应该去做。”然后接着说道，“是的，现在的成本可能难以控制，但我们有一些想法可以大幅降低成本……我知道这样构想出来的探测器似乎很有未来感，但是，如果我们这样做的话，它将允许我们以能清楚地识别希格斯玻色子的精确度来重建电子和μ子信号。有了这个探测器，我们就把希格斯玻色子装进了袋子里。”当我放下粉笔，转身看他的时候，鲁比亚脸上带着一种非常怀疑的表情。很明显，我告诉他的事他一个字也不相信。他的最后声明没有任何余地，这是一项无法上诉的判决：“这永远不会奏效。你会在水里挖出一个大洞。”
当离开这个房间的时候，我有一个清楚的想法，我对未来几年的工作重心有了明确的想法：证明可以构建大型强子对撞机的追踪器，即测量粒子轨迹的仪器。即使是诺贝尔奖得主，有时，也会犯错。
伟大的追寻开始了
寻找希格斯玻色子的工作并没有在其存在被假设提出后就立即展开。起初，人们并不完全清楚粒子在新理论中所起的决定性作用。直到20世纪70年代中期，当标准模型最终被科学界接受时，人们才进行了系统的尝试来验证其所有预测，包括这种非常特殊的玻色子的存在。
那篇引起实验物理学家注意的文章发表于1975年。在经历了几十年的疯狂追寻之后，今天重读理论家约翰·埃利斯和迪米特里·纳普洛斯最初研究得出的结论，也会让人感到好奇。在描述了新粒子的特征和它衰变的各种方式之后，两位科学家得出了这样的结论：“我们向实验物理学家道歉，因为我们不知道希格斯玻色子的质量，也不知道它与其他粒子的耦合，只不过它们可能非常小。由于这些原因，我们不想鼓励大规模的实验研究，但我们觉得有责任告诉那些将要在希格斯玻色子存在的情况下进行潜在敏感性实验的人，希格斯玻色子是如何逃离在他们的实验数据之外的。”
没有人会想到，在这样谨慎的言辞之后，物理学史上耗时最长、耗资最大的粒子追寻终将结束。标准模型赋予了希格斯玻色子一个非常明确的角色，并精准地确定了它的所有特征。除了一点，对于那些将要寻找它的人来说，这是最重要的：质量。理论上，它是一个自由参数，就像你正在寻找的东西可以像蝴蝶一样轻，也可以像大象一样重。这幽灵般粒子的许多特性取决于质量：首先是可以产生幽灵般粒子的原理以及能够产生这种现象的可能性；然后是玻色子实际存在的时间段，最后是它衰变并分解成其他粒子的方式。
在这一点上必须记住，自然界中稳定的自由粒子，如光子、电子和质子，是少数。还有一小群其他粒子，如中子和μ子，它们虽然不稳定，但寿命足以在探测器中留下信号。不过自然界的绝大部分是由不稳定的粒子组成的，也就是说，它们会立即衰变成其他粒子，希格斯玻色子也不例外。因此，我们不能考虑直接识别它，不能指望通过它在测量仪器上留下的直接痕迹而观测到它。它的存在是根据它衰变产物的记录和研究推断出来的，而质量是决定它将产生哪些其他粒子的决定性参数。可能性的范围是巨大的，对于那些敢于追寻它的人来说，这是一个真正的噩梦。这就像在太平洋寻找新的动物物种，却不知道它们是生活在岛屿植被中的小昆虫，还是大型深海鱼类。
这种情况与W和Z玻色子的研究完全不同。当鲁比亚决定修改当时最强大的加速器以实现其目的时，目标非常明确：精确地探索W和Z玻色子可能隐藏的质量区域。电弱理论自信地预测，它们的质量一定是80—90 GeV[20]——几乎是氢原子质量的100倍，并且这些粒子所有产生和衰变模式都得到了明确定义。只需要建立一个足够强大的加速器，并把注意力集中在正确的能源值上即可。
然而，对希格斯玻色子的探索则要复杂得多，且充满不确定性。首先，它不一定存在。标准模型需要一些机制来打破弱相互作用和电磁相互作用之间的对称性，但这个机制不一定是布劳特、恩格勒和希格斯所描述的。其他物理学家也提出了不同的模型，当然没有那么优雅，但这也不是自然界第一次选择与我们想象的不同的路径。其次，即使掌握了这个非常重要的机制，理论上也没有什么能阻止希格斯玻色子像电子一样轻，或者比大质量的W和Z玻色子重10倍。探索它的可能性范围是巨大的。
如果希格斯粒子是轻粒子，它的间接效应就应该在许多探索过程中已被发现，而不必建造大型加速器来产生它。另外，如果它质量很大，除了建造一个足够强大的加速器，没有其他捷径。
追寻悄悄地开启了，但事情从一场错误的警报开始有了疯狂的节奏。
1984年的夏天，在我们发现W和Z玻色子的几个月之后，在德国汉堡附近的Desy实验室，正负电子对撞机DORIS最近刚进行了升级。从最初的几个月开始，探测器开始记录一些非常奇怪的东西。在8.33 GeV左右，一些非常特殊的状态正在发酵，典型的“中性和不稳定的东西”以一种无法解释的频率衰减。令人兴奋的是，这是一个明确的信号：一切都表明希格斯玻色子已经出现了。
这一发现在最负盛名的场合宣布，即在德国莱比锡举行的高能物理国际会议上。这是一颗重磅炸弹，立即引发了激烈的反响和讨论。当其他团体探究到相同的信号时，问题就解决了：没有人看到它们。DORIS自己的物理学家在收集了更多的数据后，最终承认信号从未返回过。没有人知道这到底是一个错误，还是统计上的恶性波动。
在接下来的几十年里，寻找希格斯玻色子的过程中陆续出现其他错误的警报，但是，这颇具争议的第一次警报的作用，是将发现希格斯粒子的重要性推向了关注中心。从那时起，所有新的实验都把大量的注意力投到希格斯粒子的研究上。
“指环王”——各式各样的储存环
要发现新的粒子，首先需要的是一个能够产生它们的加速器。也就是说，这个粒子加速器能够让碰撞发生，并且在碰撞中形成的能量大于要产生的粒子的质量。这是爱因斯坦著名的质能等价理论的应用。当一束粒子与另一束粒子相互碰撞时，碰撞的能量可以转化为质量：碰撞的能量越大，产生的粒子质量越大，我们就越接近大爆炸之后宇宙的最初时刻。因此，加速器的竞赛越来越激烈了。
用于碰撞的粒子，人们使用的通常是最常见的粒子，其中包括带电荷粒子：电子、质子，有时还包括它们的反粒子（正电子和反质子）。电荷必不可少，因为可以利用电磁定律使它们加速，并且让它们保持在轨道中。强电场会产生增强其能量所需的加速度，而强磁场会使加速粒子的轨迹弯曲，使其绕着环形轨道运动。
一种早期的粒子加速器使用电子和正电子，它们是点状粒子。当它们正面碰撞时，就会湮灭，也就是说，它们完全消失了，它们的能量完全转化为其他粒子。从实验的角度来看，情况非常清楚，过程也简单，可以在最接近理想状态的情况下产生和研究新粒子。以电子和正电子为基础的加速器，其缺点在于粒子无法达到太高的能量。这些粒子实际上是轻质的，当它们在环形轨道上运动时，它们通过辐射损失了相当一部分的能量，也就是说，它们会发出一种特殊形式的光，也被称为同步辐射。
使用质子（或反质子）的加速器则不存在上述缺点。质子比电子重得多，发出同步辐射的可能性要小得多，因此质子可以被加速到更高的能量。然而，与电子不同，质子不是点状粒子，而是由夸克和胶子组成的复杂结构。这使得碰撞更加复杂。
如果我们可以将质子扩大到一个房间的大小，就会发现物质的区域将只占总体积的很小一部分。组成这个空间的夸克，以及相互交换且因为自身之间的强相互作用而留在这个空间的胶子，直径都只有几毫米的大小，因此，在大多数情况下，当两个质子发生碰撞时，没有发生什么真正有趣的事情就不足为奇了。在大多数情况下，碰撞是在外围发生的，两个质子在一定距离处相互作用，并从碰撞中毫发无损地出来，只是略微偏离了它们原来的运动轨迹。当碰撞变为某种正面碰撞时，质子会分裂，部分能量会转化为新的粒子。在极少数情况下，正面碰撞影响到夸克和胶子物质集中的小区域时，可以利用的能量最大，而且在极罕见的情况下，会产生质量最大的粒子，包括可能是前所未有的粒子。由于只有一小部分的质子参与了夸克或胶子之间的正面碰撞，可用于产生新粒子的最大能量也只是加速质子总能量的一小部分。
过去几十年的经验告诉我们，主要的两类加速器在某些方面是互补的。电子加速器是进行精确研究的理想工具，而质子加速器则是卓越的探索加速器，是探索能量前沿、寻找新粒子的先驱。
对于两种加速器而言，能量都是基本参数。首先，由于低于一定的阈值，直接产生人们所寻找的大质量粒子是没有希望的。其次，由于产生粒子的概率随着能量的增加而大幅增加：能量越高，产生的给定质量的粒子就越多。如果我们能产生大量的粒子，我们就能选择最清晰的衰变模式，促成最明显信号的特征，或许还能发现一些基本的东西，帮助我们比其他人更早地了解宇宙。
高能意味着只有使用极强的磁场，也就是非常昂贵的磁铁，才能阻止粒子沿圆周轨道旋转。目前技术的发展是有局限性的。可以达到的最大磁场定义了人们能想到的最小曲率半径，这就是我们得到现代巨型加速器的方式。
最后，加速器产生的粒子数也是该特定过程中每秒能够产生的碰撞数的函数。用术语来说，就是所谓的加速器的亮度。加速器的能量和亮度，这两个基本参数的选择是最重要的，它可以决定一项伟大的科学事业的成败。
如果人们在定义新加速器的特性时仍然过于谨慎，成本会降低，但冒险可能会导致彻底的失败。冒低于正在寻找的新粒子的生产阈值的风险，或者能产生一些粒子，但不足以提取出清晰的信号。与此同时，其他人可能建造出更强、亮度更大的加速器，率先发现这一粒子。没有人会记得你节省的资源，而每个人都会永远记得你的投资是一个失败的选择。反过来也一样。当你做出了一个过于激进的选择，如果提议的技术太超前，你仍然有失败的风险，要么是由于无法让机器运转起来，要么是由于成本激增。
粒子物理学家就是在这条像刀刃一样锋利的薄脊上提出他们的建议，有时甚至拿自己的职业生涯做赌注。高能物理学是一个竞争激烈的领域。在这个领域中，科学家实现知识领先地位的目标，往往与希望在领先技术领域中保持或占据领导地位的国家野心交织在一起。在这样一个滑溜溜的赛道上，伟大的科学成就和巨大的失败之间区别可能就是细节问题。
从沃克西哈奇到大型强子对撞机：一场激烈的竞争
在20世纪的大部分时间里，美国在高能物理学方面处于领先地位。1930年，29岁的欧内斯特·劳伦斯刚被伯克利聘为年轻教授。他找到了一种方法，通过发明回旋加速器，使粒子加速器更加紧凑和高效，回旋加速器是第一个环形加速器。其余部分来自巨大的投资和曼哈顿计划的成功。自那以后，美国历届新政府都保证大力支持越来越雄心勃勃的项目，并暗自希望，通过一系列揭秘或许有可能获得新的、非凡的能源。几十年来，正是由于一系列不间断的成功，才巩固了美国在全球层面无可争议的领导地位。任何想要参与高能物理学前沿研究的人，都必须获得一张进入美国实验室的门票。
在美国，没有人认为1954年欧洲核子研究组织的诞生是一个真正的挑战。俄罗斯几年前也在莫斯科附近的杜布纳启动了其加速器项目，但没有任何相关的事情发生。美国获得的领导地位过于稳固，以至于不认为新的欧洲实验室会在某种程度上削弱其主导地位。事实上，欧洲核子研究组织，在其诞生的头几十年里就建造了出色的加速器，并产生了良好的测量结果，但没有历史性的重要意义。
鲁比亚发现的W和Z玻色子在美国引起了不小的轰动。美国科学家们已经准备了详细的计划，以防错过这巨大的成功以及肯定能加冕的诺贝尔奖。自1974年起，他们提议在纽约附近的布鲁克海文建造一个新的加速器，他们还选择了一个漂亮的缩写ISA，即伊莎贝尔（Isabelle），指交叉存储加速器（Intersecting Storage Accelerator）。
这台新机器是一台环形质子加速器，对撞质心的能量为400 GeV，足以产生和识别人们苦苦寻找的弱相互作用的载流子。它的建造始于1978年，但设计选择太过冒险，并带来了灾难性的后果，因此立即出现了问题。在定义这台新机器的规格时，伊莎贝尔的物理学家提议使用超导磁体。超导性是某些材料一种非常特殊的特性，它对电流通过不产生电阻。通过这种方式，可以避免普通导体的缺点，并以最小的分散产生巨大的电流。大电流是建立强磁场的主要组成，而强磁场是将高能质子保持在轨道上的必要条件；但是超导并不容易管理。首先，因为这些材料中的电阻只有在接近绝对零度时才会被抵消，所以超导细丝必须浸没在我们已知的最冷的物质——液氦中，温度约为-269℃。其次，这些材料在强磁场和强电流存在时往往会失去超导性，而强磁场和强电流正是对加速器很有用的条件。这些缺点只能通过非常严格的生产和质量控制技术来克服。
起初，伊莎贝尔的设计看起来坚实而周密。1975年生产出了第一款具有正确规格的新型加速器的超导磁体，并顺利通过了所有测试。该加速器项目得到了资助，并被正式批准为对美国具有战略重要性的倡议。1978年10月27日，一柄鹤嘴锄砸在地上，标志着建设的开始，一切似乎都很顺利。直到1979年1月，据说可以保证工业生产的第一块磁铁才从西屋运来。它没有通过所有测试。第二块磁铁到来，历史重演。结果是该项目物理学家和西屋工程师之间无休止的责任推脱。新加速器项目因此延迟数年，为欧洲核子研究组织打开了机会之窗，而卡罗·鲁比亚很好地利用了这一机会。当伊莎贝尔显然输掉了游戏时，这个项目就被彻底放弃了。1983年7月，在鲁比亚宣布发现W和Z玻色子的几个月后，美国在已经花费2亿美元之后，宣布取消伊莎贝尔的项目。
1983年的冲击解释了物理学家和美国政府的许多后续行动，现在已经演变成一场在行星层面上争夺高能物理领域霸权的明确竞赛。在与美国的直接竞争中，欧洲核子研究组织第一次证明了自己可以做得更好。我们需要做出反应。
短期内，所有最好的资源都集中在芝加哥附近的费米实验室，事实证明它能够主导超导磁体技术，并投入运行兆电子伏特加速器（Tevatron），这是一种正负质子对撞机。与促成鲁比亚发现的加速器类似，但能使质子流达到四倍高的能量。一个新项目立即构思出来了，它将永远重申美国在该领域的地位，并让欧洲的野心在萌芽阶段消失。
伊莎贝尔实验关闭的同一年，在现任费米实验室主任利昂·莱德曼坚定推动下，建造巨型加速器的想法得以实现。超导超级对撞机（SSC）周长达87km，质子可被加速到40 TeV的能量，比伊莎贝尔预测的能量高一百倍，并且该加速器被8700个超导磁体偏转，类似于上千个磁铁被兆电子伏特加速器成功开发。它成为世界上最大、最强的加速器。这使发现希格斯玻色子成为可能，并揭示出物质最内在的秘密。最重要的是，它将恢复美国在高能物理领域的首要地位。
必要技术的发展将使超导体有力地进入分配电功率的新方法领域；管理产生的数据量所必需的新方法将会重申美国在高性能计算领域的首要地位。
在里根当政的年代，超级加速器的想法是受欢迎的，它的建造总部选在得克萨斯州的一个半沙漠地区，靠近达拉斯一个名字叫“沃克西哈奇”的小镇，沿用了一个世纪前居住在这片平原上的土著人的语言，意为牛尾。44亿美元的预算虽然很高，但对美国这样一个资源丰富的国家来说是可以接受的。毕竟，美国国家航空航天局（NASA）在同一年也承诺向国际空间站提供同样数额的资金，这是一个太空合作项目。
超导超级对撞机项目于1987年获得批准，资金立即开始注入。数十名物理学专家和数百名刚获得博士学位、才华横溢的年轻人，带着他们的家人，搬到达拉斯南部的棉花田之间，在那里修建了第一批建筑。在地下几十米深的地方，巨大的机械鼹鼠开始挖隧道。
与此同时，欧洲核子研究组织怀着发现W和Z玻色子的热情，开启了一项崭新的、雄心勃勃的项目——大型正负电子对撞机，一个大型电子加速器，致力于对W和Z玻色子这两个新来者进行精密研究。每年数百万的Z玻色子需要将电子和正电子加速到每束45 GeV的能量，并且只有一种方法来限制同步辐射造成的损耗：通过最大化曲率半径。结果产生了一个周长27km，挖掘到了地下一百米处的巨型加速器。就在鲁比亚宣布发现Z玻色子和W玻色子的神奇的1983年，美国取消了伊莎贝尔项目，莱德曼提出了超导超级对撞机项目。
这台新机器的主要目的是测量携带弱相互作用的玻色子的所有特性，特别是它们的质量和性质，并将它们与标准模型的预测进行比较。他们已经计划将束流的能量提高到80 GeV，以产生成对的W玻色子，如果可能的话，还会进一步寻找超对称性或希格斯玻色子。下一步已经在脑海中了。那条隧道将来可能容纳一个巨大的质子加速器。如果这项技术可以生产两倍于兆电子伏特加速器的超导磁体，它可能会导致14 TeV的碰撞。
大型正负电子对撞机的挖掘工作立即开始了。该项目由意大利物理学家埃米利奥·毕加索负责。只要深入日内瓦广阔的冲积平原，一切便会顺利进行，这些稳定的沉积物层也许是由汝拉的第四纪大冰川形成的紧实的磨砾层或是由冰碛组成的基质层。当现在的阿尔卑斯山脉还静静地立在海底时，这些沉积层一直延伸到了海中。我们在汝拉山下挖掘时，意外接踵而至。汝拉是高压水的迷宫，是可达到40倍大气压的真正的地下河。为了减少穿山隧道的长度，设计进行了多次修改。最初计划的8km被减至3km左右，所有的努力都是沿着一条避开已知含水层的道路进行，但没有办法完全避开它。在山下，隧道是用炸药炸开的，突然之间，我们面临着工程师们千方百计想要避免的噩梦。地质地图没有预见到的高压水源侵入了隧道。距离隧道竣工还有几百米，但工程必须放慢速度，在现场找到新的解决方案。在2008年，加速器的3—4扇区发生故障，导致大型强子对撞机瘫痪一年。
尽管困难重重，这项工程仍如期完成，法国总统弗朗索瓦·密特朗于1989年7月14日为庞大的基础设施建设揭幕。这个日期不是随意选定的。这个“指环”是欧洲科技的骄傲，它与法国大革命两百周年的盛大庆典相得益彰。
当大型正负电子对撞机开始工作并产生出色的结果时，卡罗·鲁比亚，是的，他刚刚被任命为欧洲核子研究组织的总干事，正在重新向刚批准了超导超级对撞机项目的美国发起挑战。1990年，他向全世界宣布：在新的大型正负电子对撞机环上（现在拥有电子和正电子），我们将通过质子循环来建造大型强子对撞机——欧洲版超导超级对撞机。
欧洲核子研究组织新型加速器的能量受到环尺寸的限制。在27千米的圆周上，即便使用仍在研发中的最先进的超导磁体，要达到预期的40 TeV的能量也是不可想象的。大型强子对撞机的14 TeV意味着将产生更少数量的大质量粒子，如希格斯玻色子，因此不太可能在与美国的竞争中获胜，但是失去的能量可以通过提高亮度来恢复。鲁比亚决定大型强子对撞机的亮度将比预期的超导超级对撞机高10倍，但是高亮度意味着非常高强度的束流、大量几乎不可能管理的粒子，探测器将被辐射烧毁，如此先进的技术被认为是不可能实现的。这是只有疯子才能想到的东西。
物理学家和加速器专家开始准备这个项目的细节工作。鲁比亚请另一位意大利人乔治·布里安蒂来主导这个项目，乔治·布里安蒂是加速器和磁铁领域的顶尖专家。这个选择再合适不过了。布里安蒂提出了一个绝对创新的解决方案，这将节省大量资金。与其为两个反向运动的质子束建立两条独立的束流线，他建议把两个独立的真空管放在一起，让质子束在同一个磁体中循环。这是一个聪明的举动，它使机器所需的磁铁数量减半。
因此，已经开挖的大型正负电子对撞机隧道和修建基础设施的大型强子对撞机能够指望在磁铁上节省大量资金。遵循传统设计需要的2500个偶极磁铁，现在只需要一半。简言之，建造大型强子对撞机的成本将比建造小型强子对撞机的成本低，但能产生同样的结果。许多人认为这是虚张声势，挑战依然存在。
1992年8月6日，达拉斯酷热难耐。第26届高能物理会议在此召开，以庆祝美国新的伟大科学成就。成千上万来自世界各地的物理学家聚集在这个地方，美国正象征性地准备重申他们的首要地位。他们带我们去了沃克西哈奇。我们看到了全新的测试线，第一批磁铁符合规格。我们参观刚建成的大楼，里面已座无虚席。我们戴着头盔下到通往隧道的大坑洞。隧道已经挖了好几千米，一切看起来闪闪发光，完美无瑕。盛大聚会的一切准备就绪。
当鲁比亚开始发言时，会议室里出现了一种超现实的沉默。卡罗用他的数十张透明胶片激怒了观众。结论是生硬的：大型强子对撞机将在1998年完工，它的物理性能将和超导超能对撞机一样，但成本将减半。
一直名列前茅的美国人，不习惯感受这些胆大妄为的欧洲人的气息，他们无法掩饰自己的愤怒。每个人都知道鲁比亚也是在虚张声势。大型强子对撞机的成本不会那么低，最重要的是，在指定的时间内建造磁体是不可能的，但挑战已经开始，观众知道，从现在开始，事情会变得更加艰难。
在欧洲，一群富有冒险精神的年轻人开始为大型强子对撞机项目设计和开发几乎不可能完成的探测器，而在美国，超导超能对撞机受到欧洲核子研究组织带来的压力，开始遇到严重的困难，特别是在预算方面。
早在1989年该项目就进行了一次初步费用审查，将初步概算提高到59亿美元。后来，为了确保更好地管理业务，一个专家委员会提议修改磁铁的设计，其开口必须从4cm增加到5cm。这看起来似乎是一个小细节，但随着更大的开口，磁场就会减少，对整体成本的影响相当大：要么建造更多的磁铁，要么加长隧道。结果：1991年，该项目的成本估计为86亿美元。当无数次修订后将整体成本提高到115亿美元时，每个人都明白，这个项目已经完了，这是一场灾难。1993年10月27日，在关闭伊莎贝尔项目的10年之后，也就是卡罗·鲁比亚在达拉斯发起挑战的一年后，美国国会以283票对143票的压倒性票数，取消了超能超导对撞机计划。已经挖掘的隧道全长23km，耗资20亿美元，在未来数年里，它将无声地见证20世纪最轰动的科学失败之一。1500名物理学家、工程师以及技术人员在几周内就被解雇了，他们已经在这个项目上工作了数年。
这件事震惊了整个国际科学界，对美国高能物理学家来说是一次巨大的打击，他们可能永远无法从那场灾难中恢复过来。
具有讽刺意味的是，在取消超能超导对撞机项目的同一年，利昂·莱德曼，该项目的发起人之一，出版了他最著名的书籍，该书使得追寻希格斯玻色子的主题成为公众感兴趣的话题——《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。
不可能的探测器
20世纪90年代初我们在欧洲核子研究组织以小组的形式，讨论当时正在设计的新型加速器——大型强子对撞机，距今已经二十多年了，这一切如同昨日发生的一样。我还记得在欧洲核子研究组织咖啡厅的餐巾纸上，围绕用钢笔勾画的巨型探测器概念图展开的热烈讨论。
那些年有着充满激情的讨论、令人难以置信的热情和让人痛苦的失望。还有一些冲突——经常是激烈的冲突，因为很多同事认为我们有点疯狂：我们提出的技术太超前了，大型强子对撞机的高亮度环境太不友好了。许多更有经验的同事得意扬扬地看着我们，好像在说：“祝你们好运，但你们永远不会成功。”其他人则对四十岁左右新一代的物理学家感到惊讶，这些物理学家认为自己能在其他人都失败的地方取得成功——发现希格斯玻色子。
一小撮先驱者的梦想现在已经成为现实，而且，正如经常发生的那样，现在它似乎只是一个由成功和荣耀组成的故事。事实上，这是一次冒险，而且是一次非常困难的冒险，总是处于巨大成功和失败的风险之间。
现代粒子探测器是一种巨型数码相机，原理很简单。每台加速器都有一个或多个特殊区域，称为相互作用区，在这里，束流彼此交叉，集中在无限小的尺寸上并引起碰撞。为了记录和了解碰撞过程中发生的情况，需要使用探测器系统，这是一种基于高度敏感的传感器设备，能够记录离开相互作用区的粒子所产生的最微小的能量释放。
在加速器中，质子以极其密集的粒子束形式传播。每一束包含大约1000亿个质子，当它们到达相互作用区时，集中在一个直径约0.01mm、长度约10cm的丝状区域。两个相邻数据束之间的时间间隔是25ns（十亿分之一秒），大型强子对撞机最多可以容纳2800个数据包。或者，大型强子对撞机的碰撞是脉冲式的，在确定的时间间隔内发生，由一个非常精确的同步电路调节。相互作用区周围的传感器接收到宣告质子束到达的信号，并准备好读出电路，以便记录碰撞过程中相互作用区周围发生的情况。
一切都必须非常迅速地发生，因为另一组束子立即到达，探测器必须准备好记录下一个事件。其原理与现代数码相机的原理类似。大约1亿像素的碰撞图像是由分布在探测器体积内的单个传感器组成的，所有的信息都被记录在磁盘上，以便从容地、离线地检查图像。
每张图片的大小，1兆字节的数据，与普通的数码照片相比并没有太大的差异。令人惊讶的是速度。大型强子对撞机探测器以每秒4000万张的惊人速度拍摄数字照片。如果要保存所有的图像，数据量将会过多。没有任何系统能够处理每秒40拍字节（petabyte）如此庞大的信息流。即使你能做到这一点，你也不知道该把它存储在哪里。如果用10 G内存的DVD把它记录下来，我们每秒需要4000张光盘，很快我们就不知道该把它们放在哪里了。在数据采集的一年里，这些DVD将超过400亿张，叠放在一起将高达40000km。
为了解决这个问题，成千上万的微处理器被整合到检测器中，在很多情况下是连接在一起的。当碰撞中发射出的粒子所产生的信号被局部记录下来时，微处理器就会重建全局信息，并很快详细阐述关于碰撞类型的假设。正如我们前面看到的，在绝大多数情况下，质子之间的碰撞会产生轻粒子和众所周知的物理现象，所以这类事件会立即被丢弃。而重点是潜在的有趣事件，这非常罕见。做出这种选择的电路被称为“触发电路”，它在百万分之一秒内决定哪些事件需要记录，哪些事件需要丢弃。在每秒4000万个事件中，最终被选中的不到1000个。因此，信息的数量将变得可管理，尽管需要开发基于分布式计算的新结构。实验仪器的尺寸也令人印象深刻。高能碰撞意味着产生的粒子会衰变，从而产生其他穿透性极强的粒子流。有些在传感器材料中移动了几米后才被吸收，有些甚至逃脱了最庞大的仪器，我们只能通过重建部分轨迹来测量其特性。因此，大型强子对撞机的物理设备变成了巨大的建筑物，高达五层楼，且重量如同一艘巡洋舰。
似乎这一切还不够，传感器必须是超快速的。碰撞以如此疯狂的速度接连发生，以至于只能使用最快的探测器，那些能在不到一秒的时间内记录到最小信号，并立即为下一个事件做好准备的探测器。
最后，由于大型强子对撞机把一切赌注都押在了高亮度上，在相互作用区周围每秒钟产生的粒子数量将会非常大，因此，这一区域周围的一切——传感器、电子设备、支撑结构、电缆和信号纤维——都必须具有前所未有的抗辐射能力。否则，在几个月或几年的活动之后，这些非常精密的仪器将永远停止工作，将会损失巨大的投资。
庞大的结构，重达数千吨，包含数百万个超高速传感器，抗辐射并且智能，能够在几百万分之一秒内评估新收集的事件是丢弃还是值得记录。难怪当我们提出构建大型强子对撞机探测器时，每个人都认为我们疯了。我们都知道事情一点也不容易。