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在一次常规测试中，两块HL-LHC（高亮度大型强子对撞机）磁铁意外变平了。这只是巧合，还是因为其他共性原因？

电流表上的读数逐渐上升，直到不再上升。然而，又突然下降了。“哦不！休斯顿，我们有麻烦了！”乔治·安布罗西奥回忆起当时的情景。

安布罗西奥是美国能源部费米国家加速器实验室的科学家，负责大型强子对撞机高亮度升级所需的磁铁组装工作。本次升级是将LHC（大型强子对撞机）内的质子数量增加一倍并改善束流动力学，升级后的实验数据集将增加10倍。这会让物理学家可以研究罕见的物理现象，并更多地了解宇宙中质量和物质的起源。

HL-LHC的升级需要150块新的加速器磁铁，该磁铁将在碰撞前聚焦束流，其功率将是前一代的两倍。

但安布罗西奥和他的美国同事正在测试的新型聚焦磁铁失败了——磁铁不运行了。

5米长的电磁铁需要携带16530安培的电流，大约相当于一道闪电的电流。由于当冷却到非常低的温度时，磁铁就会变成超导体，因此磁铁可以在不产生任何热量的情况下携带这种巨大的电流。像安布罗西奥这样的科学家，通常以逐渐增加电流的方式来测试和“锻炼”磁铁。

安布罗西奥和欧洲核子研究中心的同事爱丽丝·莫罗斯知道，“不起作用的东西”是科学过程的一部分，尤其是在使用复杂的、独一无二的、非商业使用的技术时。

因此，美国团队放弃了第一块失败的磁铁，开始测试另一块。于是电流又一次上升，也又一次突然下降。他们曾试图做出努力挽救，但第二块磁铁也废掉了。

安布罗西奥表示：“最糟糕的是，这种情况在两个背靠背的磁铁上发生了两次。这种感觉就像在泰坦尼克号上遇到冰山。”

这只是两个不幸的巧合吗？还是磁铁设计中的一个弱点，将毁掉整个大型强子对撞机升级项目？找到罪魁祸首至关重要，因为大型强子对撞机研究项目的未来取决于此。

不同寻常的嫌疑犯

生产HL-LHC聚焦磁铁需要六个月的时间，涉及数百个步骤。问题可能由这些步骤过程中的任何一小部分引发。

安布罗西奥和他的同事们把注意力转向了第一块失败的磁铁。这块磁铁的英年早逝或许能揭示哪些秘密？

疑点1：电缆绕组

每个磁线圈由一根电缆组成，电缆在4.2米长的钛杆上纵向缠绕50次。这根电缆很精致，因为它由40根缠绕着脆铌锡丝的绞合线组成。如果其中一根电线脱落，可能会产生一个夹点，危及整个线圈。

对于损坏的线圈，安布罗西奥表示：“我们必须在缠绕过程中固定两次电线。所以问题是，难道电线又移动了吗？”

疑点2：意外延迟

线圈缠绕后，技术人员通过热处理、施加粘合剂及在部件上焊接，将原始线圈转变为功能强大的超导磁体。缠绕和固化通常需要几周时间，但当新冠突然来袭时，安布罗西奥及团队正在进行这项工作，“我们开始制造线圈，然后不得不停工12周。这已经很不寻常了……停工这么长的时间会有影响吗？”

疑点3：对称性断裂

聚焦磁铁是四极的，这意味着每个磁铁都是由四个单独的线圈组成的。这些线圈装配在一起形成一个长而中空的圆柱体。当磁铁以全电流接通时，电磁力以100吨的力拉动四个线圈的末端。

这通常没有问题，如果磁铁完全对称，那么力是相等平衡的，并且坚固的支撑结构可以防止损坏脆弱的导体。但如果不是这样呢？

当磁铁被冷却和加热时，支撑结构具有小的对准间隙以补偿材料的膨胀和压缩。安布罗西奥和团队看到，在断裂的线圈支撑结构中，对齐间隙已经闭合，但在其余三个线圈中保持开放。这会使线圈损坏吗？

松动的电线、意外的延迟、对称性断裂，安布罗西奥和团队收集了针对每个疑点的间接证据。但这还不够，他们需要逐一进行刨析取证。

物理取证

在第一次测试失败几个月后，一个又小又重的包裹送到了欧洲核子研究中心。泡沫包裹里的是从第一块磁铁上提取的一块20公斤重的失效线圈。

美国科学家分析了测试数据并进行了计算机模拟，以确定致命缺陷可能发生在哪里。现在是时候看看一个由“法医”物理学家组成的小团队，是否能够证实或排除关于问题所在的三个主要理论了。

第一步是将线圈送到德国的一个实验室进行CT扫描。就像医生用CT扫描来寻找移位的椎骨一样，研究小组用CT扫描调查了疑点1：电缆绕组。

欧洲核子研究中心的材料技术员迈克尔·克劳维齐尔说：“在电缆看起来很好，所以我们需要更深入调查?！?br />

“深入调查”疑点第2和疑点3，但这将更加棘手。负责法医分析的克劳维齐尔和莫罗斯需要切割线圈并提取几个样本。在这一阶段出现的磕碰、划痕和任何其他不可预见的瑕疵，都可能污染样品，影响整个操作。

克劳维齐尔和莫罗斯用一根镶有钻石的金属丝慢慢地将线圈切开，并用两天时间进行抛光和准备，使样品达到镜面效果。

然后是分析。根据莫罗斯的说法，这项工作最困难的部分之一是区分废掉线圈的损坏原因和准备样品时的损坏原因。他们曾试图使用人工智能，但失败了?？死臀攵担骸叭绻谢?、有氧化，人工智能就无法识别。这简直是一场噩梦?！?br />

但他们很快意识到，获得准确结果的唯一方法，就是用老式的方法进行分析——目视检查样品的每一微米?？死臀攵湍匏乖谙晕⒕登白ㄗ⒖戳撕眉柑?，莫罗斯感到脖子疼，但背部更疼。

在数周没有发现任何确凿证据后，安布罗西奥有了一个主意。

安布罗西奥表示：“我们一直像切意大利腊肠一样垂直于导线切割线圈，但一无所获。如果我们沿着电线纵向切割呢？”

使用“腊肠”切割法，以寻找沿着导线长度传播的裂纹。但“香肠”切割法通常无法发现更严重的损伤，例如将脆弱的丝线撕成两半的裂缝。

克劳维齐尔和莫罗斯必须在不破坏正在寻找的证据的情况下，沿着亚毫米线进行非常精确的纵向切割。他们决定试一试。

几周后，克劳维齐尔看到了一个奇怪的东西——一段电线，几根细丝中的每根似乎都少了一大块。

克劳维齐尔说：“当看到第一批时，我不确定这是抛光过程中的人工制品还是其他什么。只有在我们重复了几个样本并看到了相同的东西后，才知道我们找到了什么?！?br />

可以肯定的是，他们需要重复分析，回到“意大利腊肠”切口进行分分析。

当他们在显微镜下观察时，可以看到电线撕裂的小孔和精致的铌锡丝脱落。每个损伤点都比一根头发的宽度小五倍。总的来说，他们在一段不到2毫米长的电缆中发现了数百处撕裂。

撕裂是疑点2的结果吗？线圈制造过程的延迟？还是疑点3？在最终磁铁组装过程中对称性断裂？他们必须根据损坏的位置找出罪魁祸首。所有的微小撕裂都靠近电缆绕支撑结构转动的连接处。据安布罗西奥称，计算机模拟预测，如果线圈由于不对称而过度拉伸，就会出现这种情况。

“这是确凿无疑的证据?！卑膊悸尬靼卤硎?，“就是疑点3?！?br />

但疑点2并没有洗脱嫌疑。安布罗西奥认为，疑点2和疑点3可能是同谋。“由于新冠肺炎，这种磁铁的组装方式发生了变化。我们不希望工作人员靠得太近，所以我们让他们站得远一些。但如果站得很远，也许就很难做到安装时候的对称了?！?span style="margin: 0px;padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;font-size: 15px;visibility: visible;">安布罗西奥说道。

幸运的是，这是仅有的两块未通过测试的磁铁，科学家们得以从这起事件中吸取经验教训。安布罗西奥说：“为了防止这个问题，随后的磁铁会进行设计更改和程序更改?！?br />

第一块磁铁也得到了第二次机会。因为四极磁铁由四个线圈组成，而这些线圈中只有一个丧失了功能，科学家们得以进行移植，使磁铁起死回生。

安布罗西奥说：“我们安装了一个新的线圈，重新测试了磁铁，效果非常好。这是重要的一步，因为这表明不必扔掉所有废弃的东西。如果再次发生这种情况，我们可以只更换一个线圈，而不是全部更换。”

莫罗斯和克劳维齐尔都表示，他们为调查结果感到骄傲。莫罗斯说：“对我来说，真的觉得我的工作很有用。这非常具有挑战性，但真的很有动力?！?br />

根据安布罗西奥的看法，正是由于莫罗斯、克劳维齐尔和世界各地合作实验室的许多同事坚定不移的奉献精神，才有可能破案。

“团队合作是成功的关键，即使在侦探小说中也是如此！”安布罗西奥表示。

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭