大科学价值连城；几乎找不到哪里还有比CERN更大的科学，CERN位于日内瓦附近，它是世界上最大的粒子物理实验室。物理学家在那里建造了一座像小城市那样大的机器——圆形粒子加速器，周长27公里，地下有一条100米长的隧道。机器名叫大型正负电子对撞器（英文名缩写为LEP），建立于80年代，耗资7亿英磅。它预定让电子在足够大的能量下与它的反物质对应物——正电子迎头相撞，从而产生大量的称作Z"玻色子的亚原子粒子。这种奇特粒子的有关实验结果已经回答了关于宇宙的基本问题。

现在，CERN的研究者们要研究一种叫W玻色子的粒子，这将大大改进他们对亚原子世界的理解。W玻色子的质量与Z玻色子大致相同，但是必须在LEP中成对产生。这就是说，生产它们所需要的能量是原来的2倍。物理学家还要寻找叫希格斯玻色子的粒子，这种粒子的出现能够解释为什么物质具有质量。然而它本身的质量还是个未知数。物理学家相信，加速器能量的增大将给他们带来发现希格斯粒子的好机会。

LEP的这种作用改变总是可以实现的，现已确定将LEP升级。到下个世纪，它的那个隧道还可能安装上能量更高的加速器——大型强子加速器（LHC），机器设计已在绘图板上。

这个能量为LEP2倍的工程叫做LEP2，耗资1.8亿英磅。开初，他们雄心勃勃，打算今年（1994）完成Z"玻色子实验，1995年就开始W玻色子的实验。但是，由于他们低估了所涉及的全部困难，计划没有如期实现。现在科学家们说，他们开始生产W玻色子的时间最早要到1996年的下半年。

要让LEP这样大的机器升级并非易事。最大的困难是建造把电子束和正电子束加速到现有能量2倍的设备。像LEP这样的粒子加速器是用电场来加速荷电粒子的。场越强加速度越大。由于电子和正电子具有相反的电荷，相同的场要沿电路按相反的方向去加速粒子。

为了产生所要求强度的电场，科学家们应用了电磁波。这些波的电场成分在一个方向上的极大值经过零到相反方向上的极大值之间快速振荡。要保证加速场每次都以相同的方向作用在围绕环路的粒子上，粒子束就必须与波同步。在LEP，最佳频率是352兆赫，属微波区域。

微波由叫调速管的器件产生，通过管状波导到达电子回旋加速器状的共振腔，在这里产生驻波以加速粒子。共振腔必须密封，以便保持粒子束所要求的超高真空。微波经由叫功率耦合器的装置进入共振腔。耦合器有陶瓷窗，对这样一些频率来说它是透明的。

共振腔（在LEP，它是铜制的）内部，驻波是由腔的内表面上的交流电流所维持的。场的强度高达每米1.5兆伏，大约是电视显像管中用来加速电子束的场强的30倍。因为机器是圆形的，粒子重复地通过相同的场，从而每次都增加能量。

但是铜质共振腔效率低，在电流通过金属表面时因自然阻力而产生热，必须用水冷系统加以去除。结果大约只有15%的能量注入共振腔，并转送到粒子束，全部128个共振腔（每个2米长）需要把粒子加速到45 GeV的能量，大体是电视显像管电子能量的200万倍。当两粒子束沿相反方向运动并迎头相碰时，哪一次碰撞的总能量都是90 GeV。

但是现在物理学家要求具有180 GeV的能量。他们面临的问题是：荷电粒子沿弯曲路径运行时以电磁辐射形式损失能量。LEP的范围之所以如此之大就是为了使曲率尽量小随之能量损失也尽量小。但是当粒子能量增大时损失就更严重。粒子能量增加1倍能量损失要增加15倍。在LEP2中，粒子每圈要损失2.1%的能量。在每秒11000圈的情况下，出现的问题是能量补充和能量损失一般快。

有一种选择是用更多的铜质共振腔。但是这样就需要外加600个共振腔，这将极大地增加机器的功率消耗。它现在的消耗已高达40兆瓦了。不仅如此，要把增加的共振腔装配到环路内是困难的，因为那里已经挤满了使粒子束弯曲和聚焦的磁体。不过，科学家已选择超导体去取代现有的共振腔，那是因为超导体使用能量的效率高。

超导体没有电阻，电流通过时不以热的形式消耗掉能量，几乎馈入超导共振腔的全部动力最后都到达粒子束。增加的效率提供高电流和强电场：在LEP2，达到每米600万伏。不利因素是超导体是在仅仅高于绝对零度几度的低温下工作的，所以共振腔必须浸泡在液氦池中，那里的温度是4.5 K。

新的设计依赖于超导金属铌。第一台样机（1988年制成）场强高达每米500万伏，工作状况良好。超过这强度就会趋于发热，使铌失去超导能力。麻烦在于铌是热的不良导体。共振腔内的任何杂质和尘埃都使电阻增大，从而产生无法散消的热。即使采用半导体制作技术，共振腔也无法清洁得足以在较高场强下可靠工作。

这样，CERN的工程师们开始为选择共振腔的可取设计而工作。接着的样机不用固体铌而是用铜制成，它的里面用铌薄膜蒙复；薄膜的厚度只有头发的五分之一。铜是热的良导体，而且比铌便宜得多。工程师们对这些共振腔的性能感到满意。LEP2需要的200个共振腔正在由德国、法国和意大利的公司制造。

功率耦合器存在好些问题。它们安装在波导（室温）和共振腔（4.5 K）的连接处，所以良好的绝热材料和复合的冷却系统是必不可少的。这使功率耦合器成为一种复杂的机器。耦合器中的陶瓷窗与周围金属相连。这些材料在冷却时以不同的速率收缩，为了防止窗因此破裂，这部分部件要保持室温。因为破裂的窗会使尘埃进入共振腔，清除它得花几个星期，整个加速器就要停摆。

1990年选择了一种设计，到1992年准备了测试用的样机，结果令人失望 :功率耦合器内的真空质量变坏以致触发了安全系统，使动力关闭。如果这件事是在LEP运转时发生的，粒子束就会自动切断，这就要花两个小时的宝贵时间去将它复原。

破坏性火花 连接耦合器各元件的焊接点用铜涂复以提供均匀的导电表面。然而工程师们发现，在靠近焊接点的涂料上形成火口，暴露在高电场中。原因是当耦合器内出现气体时甚高电场就产生火花。气体大概是在陶瓷窗过度加热时从涂复了的共振腔和金属本身释放出来的。如果不迅速关闭电源，最后会把耦合器烧坏。

解决办法是简单然而费时的，这就是重新设计耦合器，使它没有任何焊接点，并且在窗的周围区域减少功率耗散以降低放气量。重新设计至少使计划退后一年。

把能量注入共振腔只是问题的一半，还有一些能量必须排去。当粒子通过共振腔时，它们的电荷产生电场的频率比加速场高得多。除非排去这些场（叫做较高次模HOMs），不然它们会使下一束粒子通过共振腔时减速。为了排出HOMs，共振腔要安装一种叫HOM耦合器的装置，它的工作像射电、在共振腔内，已调谐的天线接收波并把它转送到同轴电缆，再由同轴电缆把能量传送到外面。调谐保证了天线只接收较高频率的波。

但是这个部件的设计也有问题。从厂家接收共振腔后必须进行清洁。它不能用肥皂和水去冲洗，而是由工程师把它冷却到运转温度然后接通，电流使表面上的各种尘埃和杂质电离，形成可以抽走的气体。问题在于这个过程中还产生自由电子。在不少共振腔中电子撞击天线，使之加热，以至引发电源关闭。解决办法是重新设计HOM耦合器，使天线较少暴露。作为额外的预防，新的设计所用材料要导热较好，还要有改进了的冷却系统。

虽然加速共振腔的问题最大，但建造这些装置的耗资只有LEP2总耗资的四分之一，有相等数量的资金正在用于生产和储存60，000升液氦的设备。制成之后，它就是世界上最大的液氦工厂。隧道的空间有限，许多冷却工作将在地面上进行。将20 K的气体传送到隧道，然后把它冷却到4.5 K，使其液化。

系统的大小可以有几种。液化设备用的是汽轮机。它的作用是使气体膨胀引起冷却。现有的机器只有4台汽轮机，CERN将用7台。汽轮机多了，流过每台汽轮机的气体就少了，机器也就可以造得小些。这就使热损耗降低，效率可增加20%。

粒子束聚焦 物理学家希望在LEP2运转的4年里尽可能多地生产出W玻色子。为此他们必须最大限度地提高碰撞器的“亮度”。这可以从两方面来做：使碰撞时的聚焦点尽可能小I使每束的电子数和正电子数尽可能多。

LEP2原来的设计是4簇电子和正电子，每簇几厘米长，沿环路取相等间隔，相距大约7公里，以接近光速运行。粒子束是同步的，以使它们正好在沿环路对称安装的4个粒子检测器中心处碰撞。但是，在电子和正电子簇相碰时，粒子束相互作用：如果每束粒子很多，相互作用很强，足以把束送出路线之外。因此，物理学家不去增加每簇的粒子数，而是设法在机器中塞进更多的簇。最后的意见是每一簇用一串4簇每串延伸225米（原来只有几厘米）。

要制作这种系统制品，物理学家势必要对粒子束进行精心的“操练”。电子串每一段必须与正电子串的相应伙伴碰撞而避开其它的簇。因此，在粒子束必须不受碰撞地互相通过的区域，一定要用电场把它们分隔开来（电场迫使两束分离），这可以使亮度增加一倍以上。

此外还有几个须要克服的困难，反射簇会偏离中心而通过加速共振腔的某些零件和聚焦磁体，使得它们难以操纵。还有，改变荷电粒子的路径引起它们发出电磁辐射，这可以使检测器致盲。物理学家正在测试这些效应的严重程度并设法克服它。

巨大的粒子检测器也需要修改以与簇串相适应。每台检测器都有一个叫触发器的系统，用来分析每次碰撞的部分数据，确定是否发生了研究者所关心的事件。如果发生了，就把数据从检测器输入一套专门的缓冲记忆装置，以便作进一步分析。这是一种比较缓慢的运作，因为检测器对于别的事件是“瞎”的。在LEP，每隔22微秒发生一次4簇碰撞。这样一段时间对决定是否开始“读出”程序是足够的。然而，簇串的每一部分间的碰撞是如此快速地连续发生，就没有足够的时间为每次碰撞分别进行触发，检测器感受到碰撞时，会把整串当成开头的那一簇。这就产生了问题，因为物理学家要译出信号就须要知道该信号是哪一簇产生的。他们正在多方查验使得这件事能以百分之百的成功率办好。

负责能量升级的工程师C · 威斯抱有信心，认为LEP2达到所要求的能量是绰有余裕的。“我们应当能够用16台加速共振腔产生出180GeV。”他说。这个能量值是个关键性指标，达不到它，就会在LEP2能量和拟议中的LHC能量之间留下空隙。

谁知道在哪个空隙里潜藏着什么？CERN的总管C · L · 斯密斯熟知底里，他说：“我们一定尽心竭力确保希格斯玻色子不从LEP和LHC之间溜走。”一旦如愿以偿，CERN就会有许许多多体面的物理学家。

[New Scientist，1994年11月19日]