建造大型强子对撞机，会把位子加速器的制造工艺提高到一个新的高度，不过世界上某些最著名的物理学家坚信，这个目标一定会努力实现。
一个诀窍：建造2根管道，每一根大约6厘米直径，27公里长，把它弯曲成环型状，并冷却到绝对温度1.9（开氏）（比室温低大约300 ℃），管道内充满质子——起动时大约需要1000亿个——并尽可能使它们以接近光速的速度运动，在加上比地球的磁场还要强10万倍的磁场条件下，驱使这些粒子通过管道，同时保证在每个管道中，质子是以相反方向运动。
激动人心的时刻现在出现了：调整2个管道，使粒子相撞，其中大约20个质子会彼此相撞，产生一大批其他粒子，仔细查看产生的每粒子，如果你发现了你不能辨认的粒子，你会大声欢呼！
最后重复每秒4000万次
这是在开玩笑？也许是做管道梦？不过根据CERN的科学家们说，世界上最大的粒子物理实验室就在日内瓦附近跨越法国-瑞士边界的地方。对于这套庞大机器，物理学家已讨论了10年。它会把质子、重金属铅的离子，这些总称为强子的粒子粉碎。它将在2002年正式开始运行，并可运转20年。如果全部按照计划进行的话，物理学家有可能在该机器上再现存在于宇宙诞生瞬间时的大爆炸条件。
世界上最美好的愿望就是研制出能制造大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC，下同）工程所需要的工艺。整个工程包括两部分内容：建造一个加速器，能够粉碎质子和离子；制造一系列探测器，能够测量在这样对撞过程中所生成的粒子。
LHC将建在地下100米处，并分享现在已被大型电子-正电子对撞机（英文缩写为LEP，下同，是目前CERN最大的对撞机）所占据的27公里长的隧道，而LHC是一个远比早期LEP更为复杂的工程。它一运行，就会粉碎在同一磁场下以相反方向弯曲的反旋转的质子束。物理学家能够用2根单独的管道和2套磁场一如同最近已被撤销的美国超导超级对撞机上所采用的这种方法。但是CERN的工程师们则选择了更加复杂的设计，即把2根管道安置在一套磁场中，经过精确计算的每一粒子束流，以相同方向弯曲，这样设计不仅节省了空间，可以使LHC和LEP安装在同一个隧道中，同时可节约安装2个管道所需费用的25%。
根据一位负责建造LHC的威尔士人林恩 · 埃文斯（Lyn Evans）说，找到弯曲粒子束流的方法仅仅是问题的一部分，更困难的是设计出能控制它们的方法。美国人选择了双管道设计法，可以使每一粒子束流单独调节，埃文斯说，但是用2对1结构时，当调节一个粒子束流时往往会影响到另一个粒子束流。我们采用在LHC周围一个可调整的空隙中，插入一个校正过的磁铁这一方法，已克服了这个困难，这样也可以单独调节粒子束。
每一质子束将以高达7000 Gev的能量环绕LHC穿行，埃文斯解释道，在LEP加速器中，正电子和电子是以90 Gev的能量运行的。根据上述要求，LHC需要用超导磁铁产生更强的磁场来弯曲粒子束，埃文斯又说，超导电线的一个主要优点是只需用很少一点电力，LHC不会比LEP消耗更多的电能。
巨大的冷却装置
但是超导电线有一个缺点，即它们必须在温度接近绝对零度时才能工作，所以每一个LHC磁铁要放在超流体的氦中，保持大约1.9 K（即-271.1℃）。超流体氦是一种非常有效的热导体，即使很小体积也能在极短时间内除去大量的热量，只要有一点点液氦在设备的顶部流过，就足以除去任何多余的热量。
负责研制LHC低温致冷系统的菲力浦 · 雷伯隆（Philippe Lebrum）说，本世纪初就能制造出4.5 K的液氦，问题是要生产出CERN所需规模的超流体氦。沿着环行隧道每隔3.3公里一个，一共建造了8个致冷工厂，将泵出700000升液氦，需通过40000个防漏接头来冷却重量为31000吨的LHC。当每年12月对撞机停止运行，进行为期3个月的彻底大修时，液氦必须贮存起来，这个问题还需要作进一步的研究。一个可能解决的办法是，发明一个氦供应站，在CERN建造一个巨大的贮存设施和分配中心，定期回收所供应的氦。
生产4.5 K的普通液氦相当容易，CERN已有世界上最大的液化设备，但科学家还通过把大气压从1个大气压（大约1巴），降低到16/1000大气压（大约16毫巴）的办法，把液氦再降低2.6℃。压力降低时，液体沸腾，蒸汽带走热量，使液体进一步降温，如同喷雾因为容积分散能致冷一样。但是工程师面临的挑战是要设计和建造能再循环这种蒸汽并使整个系统更有效的设备。已知称为冷压缩机的机器吸出蒸汽以防止压力增加，会暂停冷却过程，一旦除去后，被机器压缩的气体回到大气压，再用管道输送使它回到冷却系统。
在27公里长的环型通道中，差不多有24公里将在1.9 K的条件下运行，仅仅在直道部分可以不用冷却。一旦机器内有大量液态氦留在里面时，必须使它和外部世界绝热。科学家在机器四周设计了一种加重的磁铁支持体（这是一种很好的热绝缘体），用这一方法把热接触降到最小。雷伯隆说，金属是用于这一目的的最佳导体，而最有希望的材料会是玻璃纤维和碳纤维，因为它们能在极端高的真空和低温条件下肩负着大约10000公斤的重量。
同样，磁铁如何设计对工程师也是一个挑战。因为在镀铜的铌钛电线中电流升高时，磁场达到9个特斯拉（tesla）（一个马蹄型磁铁的强度大约是0.5特斯拉）。在这一强度下，相当于磁铁内部受到几百吨重量的力，足以使整个结构裂开，若在运行时，超导电线有一点点移动，磁场就会崩溃，磁场即刻消失，为了预防这种现象，每块磁铁均用非磁性材料卡住，同时周围再用铁锁牢牢卡紧。
已知由于湮灭磁场会崩溃，尽管这种现象非常罕见，但是磁铁必须特殊设计以能应付这种现象，当磁铁白热化时，同样也会产生煙灭现象，例如当部分粒子束流被粉碎时，或当磁铁超导性下降时，或因为温度急速升高使电阻突然增加时均会产生湮灭。科学家估计，在1秒内增加200 °K时，因为金属膨胀，会产生巨大的热压力，在毫秒内检测到湮灭，计算机触发堵塞了电热器，均匀提高了磁铁温度，分散了整个建筑物的力。
管道工程
1300根管道中的每一根均用偶极磁铁覆盖，流体氦输送管道将是13米长，直径超过1米，重达40吨。但在磁铁中心，传送质子的管道仅有56毫米宽。机器运行前，科学家要在管道内部创造出一种极端高度真空的条件，以减少质子和空气中分子相撞的机会。大约每升管道中要抽出3000亿个空气分子，使压力降到原大气压的千万分之一。一旦达到真空，在机器运行过程中，这样情况必须维持，当质子束流弯曲时，还会产生一种称之为同步辐射的紫外线辐射。该射线会轰击管道，使气体分子被释放的金属所吸收。这一过程称为除气过程，它会破坏真空和毁坏粒子束。
CERN的工程师希望在每个管道内敷设一个像筛网一样的内管道来吸收这种辐射，以克服这个难题，虽然内管道也会除气，但它吸收了紫外辐射，防止它们到达外管道。气体分子还会通过表面的孔穴，击中致冷机器的表层，当温度为1.9 K时，外管道的作用像粘蝇纸，气体分子会粘在表面，因为致冷剥夺了它们的动能。辐射会使50公里长内管道的温度比四周高几度，所以管道必须和外面管道彻底隔热，因为任何热量泄漏会使磁铁湮灭。
将粒子束流运行起来是一件事，而使它停顿下来又是另一回事，在满功率运行时，环流的质子会带有几千克高爆炸的能量——足以在真空管道上冲出一个洞穴，损坏超导磁铁，使氦泄漏进入管道。据埃文斯介绍，在1000分之10秒内的任何差错，或实验已经结束时，特殊磁铁会反冲质子束进入2个特殊的石墨靶子。粒子束团位于切线到环，所以要设计出在1秒内能将温度上升到1000 ℃。
完全不同的一系列问题使科学家面临着要设计出3种LHC的粒子探测器。这些实验必须记录下在微米范围内粒子的轨迹，在微秒间隔内处理极其大量的信息，以及能在强辐射条件下长期运行。ATLAS和CMS这2个探测器，将寻找质子之间的对撞，并证实每种结果，而第3个探测器ALICE将调查重离子的对撞。它们的体积均很大，要比LEP探测器大得多，例如CMS探测器，像一个小办公室那样大，14米高，20米长，重达12000吨。工程师希望把它们塞到地下，如现在已被LEP探测器部分填满的像教堂那样大的空间。
准备工作
探测器需这样大的尺寸的部分原因是LHC的探测器所面临的问题远比LEP所碰到的问题复杂得多，因为它们必须测量大量的粒子。探测器由一层层包裹在碰撞点周围的元件组成，很像一个洋葱。每一层测量不同特征的粒子。例如离中心1.5米处是一个电磁热量计，它测量光子和电子的位置和方向（它们几乎占了全部生成粒子的1/3），因为它们的粒子束流能通过探测器。每一层内再分成许多小的探测器元件，有点像感光胶片上的感光颗粒。探测器元件越多，则探测器的分辨力越高。电磁热量计包含200，000个元件，而ATLAS，全部将装有1000万个元件，可测量所生成的大量粒子。
研究人员不能要求来寻找每一次单个的碰撞。实际上，计算机必须设计好程序来寻找感兴趣的事件——大约每1亿次中有一次——每秒产生几亿次。收集和选择数据从事协调研究并对此进行分析的专家埃立斯（Nick Ellis）说，信息积累得非常快，只有少量事件才会被详细检查。大部分数据会被丢弃，但是决定怎么样的数据被丢弃，哪些数据被保留也是个巨大的任务，计算机将从以下三个阶段来完成。
因为每发生一个事件，从1000万个探测元件来的信息会贮存在像电容器阵列和随机进入的记忆元件这样一类简单的记忆元件中，记忆元件是极细小的——一个像手指甲大小的集成电路就能容纳几千个电容器——并位于靠近探测器接收信息的设备上，数据会以简单的伏特形式出现，代表了粒子能量沉积在探测器的一小部分中。
当信息暂时贮存在探测器内部时，一个定制的大约50米长的处理器，能使用少量数据对每一事件确立低分辨的快速摄影。该处理器能比较这些图像，并再次核实确定必须贮存的碰撞事件的重要特性，核对清单中包括大约30个问题，诸如大于一定数值的粒子能量。如果是，则数据通过，并核实下一个问题。每走一步大约花250亿分之1秒。随着数据向前移动，另一事件的信息又进入处理器。最后一步会发生在对撞后的300万分之1秒之内，产生是或否的结论，若是，那么关于事件的信息将发送到第二阶段进行进一步的分析。若否，则永远丢弃。用另外的对撞信息重新书写。
在数据溢出之前，排空缓冲器中的结果，大约每秒有10万个事件会送入到第二阶段中，数据要通过探测器到大约100米长的大齿状电子记忆银行中，那里的空气能自由循环进行冷却。CERN的物理学家希望用强大的高功率型计算机来处理第二阶段的信息，他们希望在几年内他们能低价地获得这一计算机。成千个这类机器“部件”会对探测器在小范围内重新建立高分辨率快速照相，那时候感兴趣的粒子会已经定位，并决定已贮存的事件会再一次和更详细地同核实表中的结果进行比较，尽管在第二阶段中只处理少量事件，但要更详细地寻找每一次事件，也许要花千分之几秒来完成这一任务。
第三阶段也是最后一步是全部重建每秒大约1000个事件，有些信息将重新测量。标定探测器极其重要，但对物理学家来说还不是真正的兴趣，第三阶段要总结这些情况，但是必须：保留重要事件的原始数据，并必须可靠地定位它们。在这种情况下决策就变得非常重要，科学家至今尚无最后定下来怎样做，但是研究人员必须使第三阶段尽可能灵活处理新的发现，而这正是物理学家预计在LHC上会实现的。
那些仅仅是理论，实际上在LHC余下的计划中，还有许多问题要解决。例如探测器内部将产生大量的热量必须散去，通过管道的气流或液流能冷却设备，但是在ATLAS规划中工作的科学家，正考虑用水滴撒到传感器上，因为当它们蒸发时会吸收热量，这和人出汗能降温的道理一样。保护探测器内部的信息也是一个棘手的问题。一个LHC探测器的1平方厘米（疑应为1平方米，译者注）仅30厘米有对撞，会每秒受到大约1千万个带电粒子的曝光，这样强度的辐射，会对电路造成严重的破坏。
按照ATLAS计划的联合发言人杰尼（Peter Jenni）说辐射会损坏硅片探测器的结构，会降低记忆元件的性能，而价格很高的锗-砷片也许可作为探测器的一部分，也许可接受很高的辐射剂量，因为锗砷有比硅更强的晶格，因而不易受到损坏。
时间的挑战
CERN的所长卢埃林 · 史密斯（Chris Llewellyn Smith）估计，只要财政上能开绿灯，LHC将于2002年正式运行，2003年会得到首批成果。根据一位80年代在LEP领导一个小组花了6年时间建造了DELPHI实验室的尤哥 · 阿马尔迪（Vgo Amaldi）的观点，他认为这是一张挑战的时间表，他说要在8年内建造一个十分复杂的探测器看来仍有不少问题，他同时承认还需要有足够的资金，他说根据时间表，在工程全部完工之前，探测器就能开始产生结果。但是按时间表负责进行监督的杰尼似乎更乐观一些，他承认还有许多重要的问题必须解决，但是对CERN的工作，他认为在遵守时间表的记录是好的，他说“我看没有理由认为，为什么我们不能在限定的时间内如期交付呢？”
尽管正在进行的工作和已建成的原型是好的，估计19个欧洲政府已为LHC批准了最后的授权。负责推销这一思想的卢埃林 · 史密斯说，他坚信能成功，他说：“LHC现在是科学的委托管理者，我相信政治家会承诺这个协议。”
设计和建造LHC显然是一个巨大的挑战，但是科学家愿意在LHC上工作的真正原因，简单地说就是探求真理——希望在最基础的水平上了解宇宙，杰尼十分克制地说道：“我们预计在LHC上得出的结果会回答关于粒子的物理，直至宇宙的某些基本问题，这就是说，制造它是值得的，但是这些不是普通的问题，是会给问题回答者带来科学的声誉与运气的问题。如果成功了，那有一点是无疑的：LHC将会是赢得诺贝尔奖的诀窍。”
[New Scientist，1994年6月18日]