Фабрика открытий

Международный коллектив ученых готовится приступить к самому грандиозному в истории эксперименту по физике элементарных частиц.

Большой адронный коллайдер (БАК), строительство которого близится к завершению, представляет собой огромное кольцо, расположенное под землей в сельской местности недалеко от Женевы. БАК позволит проникнуть в физику самых малых расстояний (вплоть до нанонанометра. или 10^-18м) и достичь самых высоких из когда-либо исследованных энергий. Больше десяти лет специалисты по физике элементарных частиц с нетерпением ждали шанса исследовать диапазон, где энергии достигают тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10¹² эВ), — терадиапазон. При таких энергиях, возможно, проявятся новые физические явления, такие как неуловимые частицы Хиггса (ответственные, как полагают, за существование массы у других частиц), а также частицы, которые образуют темную материю, составляющую большую часть вещества во Вселенной.

Ожидается, что уже в этом году, после девяти лет строительства, ученые смогут приступить к экспериментам. Процесс ввода в действие предполагает на первом этапе получение одного пучка, затем двух и, наконец, их столкновение: переход от низких энергий до терамасштаба; от пробных пучков малой интенсивности к более мощным, пригодным для получения экспериментальных данных с достаточной скоростью. На каждом этапе этого пути будут появляться трудности, которые предстоит преодолевать коллективу из 5 тыс. ученых, инженеров и студентов, участвующих в гигантском проекте. Чтобы собственными глазами увидеть ход подготовки к исследованиям на переднем крае области высоких энергий, прошлой  осенью я посетил данный объект и мне довелось побеседовать, выразил уверенность в успехе, несмотря на несоблюдение графика строительства. Сообщество специалистов по физике элементарных частиц с нетерпением ждет первых результатов работы БАК. Франк Вильчек (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института выразил общее мнение, когда говорил о перспективах БАК как начале «золотого века физики».

Машина превосходных степеней

Большой адронный коллайдер по своими параметрам превосходит предшественников. Прежде всего, он будет создавать пучки протонов бо­лее высоких энергий, чем когда-либо прежде. Почти 7 тыс. магнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры ниже 2 градусов Кельвина, направляют и фокусируют два пуч­ка протонов, летящих со скоростью, отличающейся от скорости света не более чем на одну миллионную про­цента. Каждый протон будет иметь энергию около 7ТэВ, т.е. в 7 тыс. раз превышающую энергию покоя, содержащуюся в его массе (в соответствии с соотношением Эйнштейна E = тс²). Это приблизительно в семь раз превышает энергию нынешнего рекордсмена — коллайдера Теватрон в Национальной лаборатории ускорителей им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс. Важно также, что БАК рассчитан на то, чтобы создавать пучки с интенсивностью в 40 раз большей, чем удается достичь наТеватроне. При выходе на проектную мощность все циркулирующие в нем частицы будут нести энергию, примерно равную кинетической энергии 900 автомобилей, едущих со скоростью 100 км/ч, или достаточную, чтобы вскипятить 2 тыс. л воды.

Протоны будут двигаться в виде 3 тыс. сгустков, распределенных вдоль всей 27-километровой окружности коллайдера. Каждый сгусток, содержащий до 100 млрд протонов, в точках столкновений будет иметь длину в несколько сантиметров (как швейная игла) и диаметр всего 16 микронов (как самый тонкий человеческий волос). Иглы, сталкиваясь в зонах расположения детекторов, создадут более 600 млн столкновений частиц в секунду. Эти столкновения, или события, как их называют физики, фактически будут происходить между частицами, из которых состоят протоны, — кварками и глюонами. При максимальной энергии частиц будет высвобождаться приблизительно одна седьмая энергии, содержащейся в исходных протонах, или приблизительно 2 ТэВ. Четыре гигантские системы детекторов, самый большой из которых занял бы половину собора Нотр-Дам в Париже, а самый тяжелый содержит железа больше, чем Эйфелева башня, будут измерять параметры тысяч частиц, разлетающихся при каждом столкновении. Несмотря на огромный размер детекторов, монтаж отдельных элементов должен производиться с точностью 50 микронов.

Почти 100 млн каналов данных, идущих от каждого из двух основных детекторов, могли бы за секунду заполнять 100 тыс. компакт-дисков, которые за шесть месяцев могли бы образовать штабель, достигающий Луны. Поэтому вместо того чтобы записывать всю информацию, в экспериментах предлагается использовать системы запуска и сбора данных, действующие как фильтр. Записывать и помещать в архив центральной вычислительной системы БАК в ЦЕРН (Европейская лаборатория по физике элементарных частиц и «родной дом» коллайдера) будут только 100 событий в секунду, представляющих наибольший интерес.

Несколько тысяч компьютеров в ЦЕРН будут обрабатывать первичные данные и формировать базы, удобные для последующего анализа. Дальнейшая работа будет проводиться на распределенной вычислительной сети (GRID), объединяющей десятки тысяч компьютеров в институтах во всем мире, связанных с дюжиной крупных центров на трех континентах, которые в свою очередь соединены с ЦЕРН выделенными оптическими кабелями.

Путешествие в тысячу шагов

В начале ноября 2007 г. специалисты закончили монтаж системы магнитов. А к середине декабря один из восьми секторов охладили до рабочей температуры, и началось охлаждение второго сектора. После проверки всех секторов ускорителя запланировано проведение тестовых экспериментов по ускорению протонов.

Ряд вспомогательных ускорителей, создающих пучок протонов с энергией 0,45 ТэВ для ввода в главное кольцо, уже прошли испытания. Для тестовых экспериментов предполагается использовать пучки протонов малой интенсивности, чтобы уменьшить риск повреждения аппаратуры. При первом запуске в каждом направлении будет циркулировать только один сгусток протонов с энергией 7 ТэВ.

Выход ускорителя на проектную мощность будет происходить точно выверенными шагами. К сожалению, от проблем не уйти. И на этом пути, если каждый сектор магнита для ремонта придется отогревать до комнатной температуры, запуск отодвинется на месяцы.

Для завершения сборки и наладки четырех экспериментальных установок — ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — также потребуется время. Они должны быть введены в строй прежде, чем начнется работа с пучком. Некоторые чрезвычайно хрупкие блоки все еще монтируются, например так называемый детектор положения вершины события, который был установлен в LHCb в середине ноября. На меня как на человека, специализировавшегося в теоретической, а не в экспериментальной физике, произвели большое впечатление толстые жгуты из тысяч кабелей для передачи данных от детекторов.

Несмотря на то что до начала работы ускорителя должен пройти не один месяц, некоторым студентам и молодым ученым уже удалось получить экспериментальные данные. Космические лучи, пронизывающие франко-швейцарские горы, спорадически проходят через детекторы и фиксируются датчиками. Это позволяет в реальных условиях удостовериться, что все вместе работает правильно — от подачи напряжения на элементы детектора до электроники и программного обеспечения.

Теперь все вместе

Уже в ближайшее время ученым предстоит решить колоссальные по сложности задачи. При расчетной «светимости» пучка в каждом столкновении подобных иглам сгустков протонов будет происходить 20 событий в интервале всего 25 нc. Частицы, разлетающиеся из точки одного столкновения пучков, будут все еще пролетать через внешние слои детектора, когда уже произойдет следующее столкновение. Индивидуальные элементы в каждом из слоев детектора реагируют на определенные частицы. Миллионы каналов данных от детектора создают приблизительно мегабайт информации от каждого события: каждые две секунды это получается пета-байт (миллиард мегабайтов).

Система обработки данных должна уменьшить данный поток до управляемой величины, и она имеет несколько уровней. Первый будет получать и анализировать данные только от подмножества компонентов всего детектора, из которого он может отбирать перспективные события, исходя из отдельных факторов, таких как, например, обнаружение мюона высокой энергии, вылетающего под большим углом к оси пучка. Этот так называемый уровень запуска номер один будет поддерживаться сотнями специализированных компьютерных плат со схемной реализацией логики. На данной стадии отбираются 100 тыс. блоков данных в секунду для более тщательного анализа на следующей стадии с помощью механизма запуска более высокого уровня.

Система запуска этого следующего уровня, напротив, получает данные от всех миллионов каналов детектора. Ее программное обеспечение будет работать в сети из большого числа компьютеров при среднем времени между блоками данных, отобранных системой запуска первого уровня, равным 10 мкс. Программы будут иметь достаточно времени, чтобы «реконструировать» каждое событие. Другими словами, программа будет проектировать следы частиц к общим исходным точкам и таким образом сформирует согласованный набор данных — энергий, импульсов, траекторий и т.д. — для частиц, возникших в каждом событии.

Система запуска более высокого уровня передает приблизительно 100 событий в секунду на концентратор вычислительных ресурсов глобальной сети БАК — распределенную вычислительную сеть БАК (GRID). Сеть объединяет мощности вычислительных центров и делает их доступными пользователям, которые смогут входить в эту сеть прямо из кабинетов в своих институтах.

Сеть БАК организована в виде рядов. Ряд 0 находится непосредственно в ЦЕРН и состоит из тысяч стандартных компьютерных процессоров как в обычных, так и в узких, похожих на коробки для пиццы корпусах элегантного черного цвета, размещенных на полках штабелями. Компьютеры до сих пор поступают и подключаются к системе. Люди, ответственные за поставки, ищут самые выгодные предложения, избегая новейших и самых мощных моделей в пользу более экономичных вариантов.

Данные, передаваемые на ряд 0 системами сбора и накопления данных, будут архивироваться на магнитной ленте. Это может показаться старомодным в эру дисков DVD/RAM и флэш-памяти, но Франсуа Грей (Francois Grey) из Вычислительного центра ЦЕРН считает, что это самый рентабельный и надежный подход.

Ряд 0 распределяет данные между 12 центрами ряда 1, которые расположены в ЦЕРН и в 11 других ведущих институтах во всем мире, включая Лабораторию Ферми и Национальную лабораторию в Брукхейвене. США, а также центры в Европе, Азии и Канаде. Таким образом, необработанные данные будут существовать в двух копиях: одна в ЦЕРН, а другая — распределенная по всему миру. Каждый центр ряда 1 будет также иметь полный набор данных в компактной форме, со структурой, удобной для проведения исследований.

Полная распределенная вычислительная сеть БАК включает также центры ряда 2. которые представляют собой вычислительные центры в университетах и научно-исследовательских институтах. Установлен­ные здесь компьютеры будут вести распределенную обработку для всей сети в ходе анализа данных.

Тернистый путь

Несмотря на использование новых технологий, готовых к подключению в режиме реального времени, в ходе сборки Большого адронного коллайдера происходили сбои и задержки. И это не стало неожиданностью. В прошлом марте во время испытаний произошел «серьезный отказ» одного из магнитов, используемых для фокусировки протонных пучков непосредственно перед точкой столкновения («квадрупольный магнит»). При проверке на механическую прочность при потере катушкой сверхпроводимости во время работы с пучком, часть креплений магнита разрушилась, при этом произошел выброс газообразного гелия. (Кстати, когда рабочие или журналисты входят в туннель, они берут с собой небольшие аварийные дыхательные аппараты.)

Такие магниты устанавливаются группами по три единицы, для сжатия пучка в горизонтальном, затем в вертикальном и снова в горизонтальном направлениях. Такая последовательность обеспечивает точную фокусировку пучка. В БАК используются 24 такие группы. Сначала ученые БАК не знали, не придется ли извлечь из туннеля и поднять на поверхность для переделки все 24 группы, что, возможно, сдвинуло бы график запуска на недели. Причиной неполадки оказалась ошибка при конструировании: проектировщики магнита (исследователи из лаборатории Ферми) не смогли учесть все виды нагрузок. Исследователи из ЦЕРН и лаборатории Ферми лихорадочно работали над решением проблемы, придумывая способ укрепления неповрежденных магнитов прямо в туннеле ускорителя. (Тройку, поврежденную в ходе испытаний, подняли на поверхность для ремонта.)

В июне генеральный директор ЦЕРН Роберт Эймар (Robert Aymar) объявил, что из-за неисправности магнита и ряда других проблем он вынужден отложить запланированный на ноябрь 2007 г. запуск ускорителя до весны этого года. Чтобы сохранить график ввода в эксплуатацию, энергию пучка предполагается наращивать быстрее, чтобы уже к июлю «заняться физикой».

Постоянная отсрочка запуска вызывает беспокойство — чем больше времени требуется БАК, чтобы начать производить значительные количества данных, тем больше возможностей открывается перед все еще работающим Теватроном. Например, найти свидетельство существования бозона Хиггса или что-то не менее захватывающее — в том случае, если природа сыграла злую шутку и дала бозону достаточную массу для того, чтобы обнаружить его уже теперь в растущей горе данных лаборатории Ферми.

В сентябре 2007 г. была выявлена еще одна серьезная проблема: подвижные медные штифты в сменных модулях каналов пучка сломались после того как сектор ускорителя был охлажден до криогенных температур, необходимых для работы, и затем снова отогрет до комнатной температуры.

Весь сектор, на котором проводилось испытание, состоит из 366 сменных модулей, и вскрытие каждого для осмотра и, возможно, ремонта, представляло собой весьма трудоемкую задачу. Команда, занимавшаяся данной проблемой, предложила вставить в канал пучка шар, немного меньший, чем шарик для пинг-понга — достаточно маленький, чтобы поместиться в канале и двигаться по нему под действием сжатого воздуха, и достаточно большой, чтобы остановиться в деформированном модуле. В шар был помещен радиопередатчик, настроенный на 40 МГц — т.е. на ту же частоту, с которой будут двигаться по каналу сгустки протонов.

К всеобщему удовлетворению оказалось, что со сбоями работали только шесть модулей сектора.

Когда в ноябре был закончен монтаж соединений между магнитами ускорителя, кольцо замкнулось, открывая дорогу к началу процесса охлаждения всех секторов. Руководитель проекта Лин Эванс (Lyn Evans) заметил: «Для ускорителя такой сложности дела идут достаточ­но гладко, и мы с нетерпением ждем лета, когда Большой адронный коллайдер начнет выдавать первые данные».

Автор: Грэм Коллинз

Перевод: Б. А. Квасов