Накануне нового 2016 года в Европейском центре ядерных исследований, ЦЕРНе, было сделано важное заявление. Физики, работающие с двумя крупнейшими детекторами Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, независимо друг от друга увидели необычную аномалию в продуктах столкновений протонных пучков. Эта аномалия может указывать на существование новой, очень тяжелой элементарной частицы, которая не укладывается в наши представления о физическом устройстве природы.
Если это наблюдение подтвердится, о чем пока говорить слишком рано, на коллайдере будет сделано открытие, значительно превосходящее по важности открытие бозона Хиггса. Вновь запущенный прошлой весной после двухлетнего перерыва, Большой адронный коллайдер позволит человечеству впервые проникнуть в так называемую новую физику, физику за пределами Стандартной модели.
Научный обозреватель Радио Свобода побывал в ЦЕРНе и шесть раз пересек границу Франции и Швейцарии, чтобы спуститься к одному из детекторов, встретиться с физиками, инженерами и IT-специалистами и разобраться, как на самом деле работает обновленный коллайдер, как выглядит ежедневная работа сотрудников ЦЕРНа и какую пользу для человечества может принести эта гигантская лаборатория.
***
Первое впечатление от ЦЕРНа: вопреки ожиданиям, здесь нет огромных зданий современной архитектуры из стекла и бетона, как в подмосковном Сколково. Казалось бы – передовой научный центр, а здание администрации – одно из самых старых и обшарпанных в кампусе. Где же деньги, где же пресловутые миллиарды долларов, собранные двумя десятками стран для строительства коллайдера? Они, буквально, зарыты в землю.
Второе впечатление – люди. Центральное кафе ЦЕРНа в обед напоминает космопорт из фильма "Пятый элемент". В одной группе говорят по-китайски, во второй – по-польски, в третей – по-русски. Здесь можно услышать разговоры на десятках языков, увидеть, как человек в деловом костюме обсуждает что-то с человеком, одетым в горнолыжный комбинезон, здесь можно встретить пожилого профессора в пиджаке и шапке с помпоном и девушку в шелковом комбинезоне, меховой накидке и оранжевой каске.
Каска вообще самый распространенный головной убор. Сейчас, когда коллайдер остановлен до середины весны, многие сотрудники заняты на работах по техническому обслуживанию ускорителей и детекторов в туннелях на стометровой глубине. “Люди обычно думают, что мы – физическая лаборатория, – говорит Кристоф Шёфер из отдела международных связей ЦЕРНа. – Это верно, но лишь отчасти. Мы создаем уникальные технологии, без которых не было бы детекторов, ускорителей и обработки данных. Большинство из наших сотрудников – не исследователи, а инженеры. ЦЕРН – скорее не научный институт, а технологический, создающий инфраструктуру для исследователей всего мира”.
ДЕТЕКТОРЫ: ATLAS и LHCb
По периметру 27-километрового подземного кольцевого туннеля коллайдера прорыты 8 штолен, пронумерованных от 1 до 8 по часовой стрелке. В четырех из них, с номерами 1, 2, 5 и 8, размещены детекторы – они установлены в тех точках, где пересекаются две тонкие, примерно сантиметрового диаметра трубки, по которым летят в противоположных направлениях с почти световой скоростью пучки высокоэнергичных протонов. Когда два пучка проходят друг через друга, подобно тому как через несколько миллиардов лет наша галактика пройдет через галактику Туманность Андромеды, некоторые из протонов могут столкнуться – именно такие события интересны с точки зрения физики, именно в таких коллизиях воссоздаются условия, близкие к тем, что были в первые мгновения существования Вселенной.
Столкновения протонов фиксируют сложные и громоздкие приборы – детекторы, под каждый из которых на БАК под землей вырыта внушительная пещера. Таких детекторов на коллайдере четыре, если смотреть по часовой стрелке, начиная с первого номера, это ATLAS, ALICE, CMS и LHCb. Каждый из детекторов, или, как еще говорят, экспериментов, обслуживает группа техников и ученых, представляющих научные институты и университеты со всего мира. Это так называемые коллаборации, в которых каждая организация отвечает за какую-то часть оборудования и обработки данных. Самые большие коллаборации, в которых работают по несколько тысяч ученых, – ATLAS и CМS, на этих детекторах проводят широкий класс экспериментов, в частности, ищут феномены заветной “новой физики”, явления, лежащие за пределами Стандартной модели. На детекторах ALICE и LHCb работает меньше людей и задачи более специфические: на первом изучают столкновение ионов свинца, на втором занимаются так называемой B-физикой. ALICE, ATLAS и LHCb расположены по соседству, в той части коллайдера, которая ближе всего к кампусу ЦЕРНа, а вот CMS находится ровно на диаметрально противоположной стороне кольца, во Франции, у подножия Юрских гор. По номеру CMS расположен на пятой штольне, так что русскоязычные физики в ЦЕРНе в качестве эвфемизма дежурства на CMS используют шутливое выражение “сидеть на пятой точке”.
Наземная часть ATLASа – небольшое здание почти ровно через дорогу от главного входа в ЦЕРН, это в своем роде парадные ворота коллайдера, сюда регулярно водят группы туристов, и именно поэтому увидеть что-то интересное здесь довольно сложно. Вниз, к самому детектору, вас никто не пустит, придется смотреть через стекло на контрольную комнату – помещение, отдаленно напоминающее центр управления космическими полетами или атомной электростанцией. С декабря по май коллайдер останавливают, одна из причин – дороговизна электроэнергии. Дело в том, что в рабочем состоянии БАК потребляет около 200 МВт*час, примерно столько же, сколько вся соседняя Женева. Большую часть электричества ЦЕРН получает из Франции – тамошняя атомная энергия дешевле, но ровно по этой же причине французы любят отапливать дома электричеством, и в холодный сезон на физиков уже не хватает. Вынужденный перерыв используют для технического обслуживания и небольших апгрейдов. Сейчас, в середине января, контрольная комната ATLAS почти пуста, единственная дежурная следит за состоянием детектора сразу же на четырех компьютерных мониторах, а на огромных, во всю стену экранах видно, как глубоко внизу работают техники в касках.
Константин Томс, сотрудник коллаборации ATLAS и университета Нью-Мексико (США) объясняет, что почти всем физикам в ЦЕРНе приходится время от времени и дежурить в контрольной комнате и спускаться к детектору. “Такая же каска есть и у меня”, – говорит он. Но основная деятельность Томса, как физика-экспериментатора, – обработка данных, получаемых на ATLAS в результате столкновения частиц.
Хочется представлять себе столкновение протонов в коллайдере как соударение двух крохотных шариков, но эта картинка очень далека от реальности.
“На самом деле частица – это что-то вроде капли бурлящего супа, – говорит Томс, – в котором есть кварки, в котором все время то появляются, то исчезают так называемые виртуальные частицы, и все это описывается интуитивно неочевидными законами квантовой механики, то есть это не просто суп, а вероятностный суп”.
В результате столкновения двух таких обладающих огромной энергией капель получаются новые частицы-капли, большая часть из которых почти мгновенно распадается на другие частицы, а те – снова на другие и так далее, пока не получается что-то более-менее стабильное, например, электроны или фотоны. Но физикам больше всего интересны как раз тяжелые и очень коротко живущие частицы, именно такими должны оказаться представители новой, лежащей за пределами Стандартной модели, физики. “Сталкивая протоны, мы надеемся, что родится что-то экзотическое, а значит тяжелое, потому что весь легкий диапазон уже известен”, – объясняет Томс. Для того чтобы в результате столкновения родилась тяжелая частица, необходимо, чтобы энергия сталкиваемых протонов была достаточно высока. Энергии пучков в первой версии коллайдера, 3,5 ТэВ на каждый из встречных пучков или 7 ТэВ на столкновение, оказалось достоточно для обнаружения бозона Хиггса, последнего из предсказанных элементов Стандартной модели. Но для получения еще более тяжелых частиц этого не хватило, и именно ради поиска новой физики БАК реконструировали больше двух лет – с февраля 2013-го по апрель 2015 года. Теперь энергия столкновения здесь почти в два раза больше – 13 ТэВ, и первые, пока неуверенные свидетельства нового открытия уже есть.
Устройство детектора напоминает луковицу – это несколько чувствительных слоев (последний из них – в пару десятков метров диаметром), каждый из которых предназначен для фиксации определенных продуктов столкновения. Когда появляются новые технологии регистрации, в детекторы могут добавить новые элементы, так за время двухлетней остановки коллайдера в ATLAS был добавлен еще один, самый внутренний слой. По собранным каждой из частей детектора данным можно реконструировать примерную картину произошедшего столкновения, главное – обнаружить намек на то, что среди его продуктов были новые тяжелые частицы. Впрочем, это будет не более чем намек: любые открытия на коллайдере делаются с помощью набора статистики. Новую частицу нельзя обнаружить один раз, как иголку в сене, она проявляется как раз за разом повторяющаяся в одном и том же месте аномалия в данных.
Интересная аномалия выглядит как необычный холмик на графике распределения инвариантных масс продуктов столкновения, на сленге экспериментаторов его называют бамп (bump). Бамп совсем не обязательно свидетельствует о проявлении новой частицы, он может возникнуть, например, из-за несовершенства детектора или ошибки в обработке данных. Для того чтобы физики могли с уверенностью заявить об открытии, холм должен возникать на графике постоянно, в процессе огромного количества столкновений. Достоверным считается наблюдение, которое могло возникнуть как случайная ошибка с вероятностью не более одной трех с половиной миллионной (тогда говорят, что наблюдение было сделано с уровнем достоверности 5 сигма, или пять стандартных отклонений). Сотрудники коллабораций месяцами и даже годами накапливают данные в надежде, что замеченный бамп не “рассосется”, а окажется отражением реального физического явления.
За один впрыск в большое кольцо коллайдера попадает чуть больше одной тысячи протонных пучков в каждом из двух противоположных направлений. В одном пучке содержится около 10 в 11 степени протонов, и хотя эти протонные сгустки стараются сделать максимально сфокусированными, число реальных протонных столкновений при прохождении одного сгустка через другой не так уж велико – в среднем лоб в лоб соударяются всего несколько десятков частиц. Впрочем, пучки проходят друг через друга очень часто – каждые 25 наносекунд, так что данных о столкновениях эксперимент регистрирует очень много, примерно 1 петабайт ежесекундно.
“Мы физически не можем записывать результаты каждого столкновения, – объясняет Томс. – У нас есть важное понятие, событие, – это то, что представляет интерес для физики. Еще одно важное понятие – триггер – это свойства, по которым мы отбираем события для дальнейшей записи”.
Например, когда главной задачей коллайдера был поиск бозона Хиггса, триггером были теоретически предсказанные продукты распада этой частицы. Данные столкновений, соответствующие таким триггерам, записывались и обрабатывались, а остальные просто отбрасывались.
“Триггеры делаются под теории,– рассказывает Томс. – Например есть экзотическая теория дополнительных измерений, согласно которой обладающая достаточно высокой энергией частица может куда-то проваливаться в другие измерения, исчезать из нашего мира. Для ее тестирования делают триггер с потерянной энергией”.
Поскольку интересных физических процессов много, на коллайдере существует целое триггерное меню. Есть, например, триггер с минимальным отбором, когда сохраняется практически вся полученная детектором информация – его, конечно же, включают редко и ненадолго. Так как (грандиозные в действительности) возможности компьютерной инфраструктуры ЦЕРНа все же ограниченны, экспериментаторам приходится договариваться, какие триггеры использовать, поиск каких явлений считать более приоритетным, а каких – менее.
Но даже несмотря на снижающие количество данных триггеры, на коллайдере сохраняется невообразимое количество информации – все данные записываются на магнитных лентах, потому что это до сих пор самая дешевая и эффективная технология продолжительного хранения такого объема информации. “Люди до сих пор занимаются изучением данных 2011 года, собранных еще до большого перерыва в работе ускорителя, – говорит Томс. – Есть очень сложные виды анализа, которые требуют тысяч и тысяч человеко-часов”. В сущности, работа физика-экспериментатора в коллаборации на коллайдере напоминает деятельность любого другого аналитика big data, больших данных. “Забавно, что вся big data как раз здесь и начиналась, – рассказывает Томс. – ЦЕРН был пионером в этих технологиях, но сейчас ситуация поменялась на обратную, индустрия ушла вперед, и уже мы используем методы, разработанные большими IT-компаниями”. Так может быть, когда-нибудь поиск новых бампов, анализ данных и новые открытия будут делаться автоматически, сложными компьютерными алгоритмами? Константин Томс в этом сомневается: “Все уже автоматизировано настолько, насколько возможно, но человеческий фактор все равно важен. Есть физика, про которую big data просто не знает, есть вещи, природу которых физик поймет, а машина – нет”.
***
Сейчас два главных эксперимента, ATLAS и CMS нацелены в первую очередь на непосредственный поиск новых тяжелых частиц, не описанных в Стандартной модели, на сигналы, вроде тех, о которых было сообщено 15 декабря 2015 года. Но на коллайдере делаются и другие эксперименты, например, связанные с В-физикой. Это альтернативный подход к поиску явлений новой физики, когда новые тяжелые частицы не рождаются непосредственно в процессе коллизии протонов, но их существование можно подтвердить косвенно.
“Редкие распады особых частиц, так называемых б-мезонов, имеют теоретическую вероятность от 10-6 до 10-11, – объясняет Томс, но на практике эта вероятность может быть больше, если в процессе распада участвуют виртуальные тяжелые частицы "новой физики". Если в эксперименте доля таких специальных событий окажется больше теоретической, это косвенно докажет, что новые тяжелые частицы существуют”.
Важно понимать, что эти тяжелые частицы невозможно прямо зарегистрировать – даже через продукты их распада, так как они участвуют в процессе виртуально. Зато и энергия установки может быть меньшей, чем если бы мы хотели увидеть их непосредственно среди продуктов коллизии протонов.
В-физикой на коллайдере занимаются и в рамках эксперимента ATLAS, но этой теме почти полностью посвящен отдельный детектор – LHCb. Эксперимент LHCb расположен в нескольких километрах от ATLASа по правую руку от него, совсем рядом с аэропортом Женевы. Он меньше ATLAS по размеру, по количеству сотрудников и по приоритету исследований, зато и обстановка здесь намного более расслабленная. В контрольную комнату можно свободно пройти, в отличие от стерильного пункта управления ATLASа столы здесь завалены бумагами и инструментами, на полке выстроилась шеренга пустых бутылок из-под шампанского, которым в ЦЕРНе принято отмечать новые открытия. “Возьмите в углу каску и давайте спустимся вниз, к детектору”, – сходу предлагает сотрудник LHCb и Института физики высоких энергий в Протвино, физик Юрий Гуз.
Чтобы попасть в подземную часть эксперимента на БАК, нужно пройти серьезный контроль безопасности: проход к лифту отделен кабинками, вроде тех, что стоят в аэропортах. Чтобы войти в кабинку, нужно приложить карточку, а чтобы выйти из нее – пройти идентификацию по сетчатке глаза, если вы сотрудник эксперимента, или повернуть особый ключ, если вы посетитель. Оборудование очень чувствительное – Гуз просит заходить в кабинку медленно, “как во сне”, и не размахивать руками, “а то она решит, что вас двое”.“А когда-то здесь стоял обычный турникет, через который можно было перепрыгнуть, если карточку забыл”, – вспоминает физик.
Когда-то – это больше 15 лет назад. В то время в туннеле, где сейчас размещен Большой адронный коллайдер, находился другой ускоритель, Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). В конце 2000 года LEP остановили и частично демонтировали, а с 2001 года на его месте стали строить БАК. Два из четырех нынешних детекторов, ALICE и LHCb, находятся на месте старых экспериментов LEP, в частности здесь, в штольне LHCb, располагался эксперимент DELPHI, на котором два десятилетия назад работал Гуз.
Частично старый детектор удалось разобрать и вытащить наружу через специальную шахту десятиметрового диаметра, но основную часть детекторной луковицы так и оставили внизу в качестве музейного экспоната. Именно его – старый детектор DELPHI, похожий на многослойный гигантский блин от штанги, и видишь первым делом, выходя из лифта на этаже, обозначенном “–1”. На конструкции можно увидеть клеймо “ИЖ” – “Ижорские заводы”: заметная часть оборудования DELPHI была произведена в России. Нынешний эксперимент LHCb тоже выделяется тем, что в нем самая высокая доля участия России, – и финансового и научного. Российские инженеры, в частности, создали для детектора так называемые калориметры – лепестки, в которых тормозятся разлетающиеся от места столкновения электроны и фотоны и где измеряется их энергия, а российские физики теперь занимаются техническим обслуживанием этих частей детектора.
Детектор LHCb напоминает старый фотоаппарат с гармошкой, только очень большой, да и работает по похожему принципу. Огромный подземный зал пересекает трубка коллайдера, по которой движутся протонные пучки, на ее самом правом конце размещена камера, где происходит столкновение частиц, чуть левее – магнит, фокусирующий получившиеся осколки, дальше – ряды приборов, фиксирующих различные продукты столкновения. Любопытно, что, так как детектор расположен целиком по одну сторону от точки столкновения, половина осколков не регистрируются, их используют для облучательных экспериментов, чтобы, как объясняет Гуз, “узнать, что будет здесь с материалами через 10 лет”.
Сейчас, когда коллайдер остановлен, здесь ведутся технические работы – несколько человек в касках что-то монтируют на конструкции детектора. Откровенно говоря, все, что здесь можно увидеть, – это огромная конструкция, раскрашенная в яркие цвета. Впрочем, если задуматься, что эти десятки тонн металла нужны, чтобы увидеть явления самого микроскопического масштаба, захватывает дух.
Приезжал из Брюсселя на экскурсию батюшка из русской церкви, очень рвался к детектору: хочу, говорит, поклониться святому месту, где частица Бога рождается
“К нам тут приезжал из Брюсселя на экскурсию батюшка из русской церкви, – рассказывает Гуз, – очень рвался к той части детектора, где непосредственно пучки сталкиваются: хочу, говорит, поклониться святому месту, где частица Бога рождается. Пришлось договариваться с безопасниками, они по всему детектору бродили, а он что-то шептал в трубу. Наверное, поэтому теперь так хорошо и работаем!”
На самом деле, детектор LHCb не использовался для регистрации бозона Хиггса, его основная специализация – В-физика и поиск косвенных свидетельств явлений за пределами Стандартной модели. В этом направлении пока что сделаны только первые шаги, хот уже есть некоторые намеки на отклонения от Стандартной модели, они еще требуют подтверждения. Гуз рассказывает, что во время следующей большой остановки БАКа в 2019 году детектор будет значительно улучшен, и это повысит шансы на обнаружение виртуальных тяжелых частиц. Зато пока на LHCb делаются другие, почти случайные открытия: летом 2015 года здесь была обнаружена новая частица, так называемый пентакварк, и это стало одним из самых ярких открытий физики элементарных частиц прошлого года. “На пентакварки случайно наткнулись американские коллеги – они возникли в качестве распада, фонового по отношению к другому, на самом деле, более интересному,” – говорит Гуз.
ПУЧКИ И ДАННЫЕ: ускорительная и информационная инфраструктура
Четыре эксперимента Большого адронного коллайдера составляют основу деятельности ЦЕРНа, именно здесь рождаются новые частицы, именно в детекторах могут быть зафиксированы явления новой физики. Однако все это не было бы возможным без мощной инфраструктуры, в первую очередь ускорительной, ведь чтобы сталкивать протоны с высокими энергиями, нужно их откуда-то взять.
Частицы, которым предстоит столкнуться в одном из экспериментов коллайдера, начинают свой путь в самом обычном баллоне со сжатым водородом. Баллон, который служил источником протонов для БАКа до 2012 года, сейчас выставлен в музее ЦЕРНа – поразительно, насколько обыденно он выглядит. У первого элемента таблицы Менделеева, водорода, самые простые атомы – каждый состоит всего из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. Электроны от протонов несложно отодрать, что и происходит в камере подачи линейного ускорителя, в который водород поступает из баллона. Отсюда протоны начинают путешествовать по подземным туннелям, постепенно все увеличивая скорость и энергию, чтобы в конце концов достичь почти световой, с точностью до одной десятимиллиардной, скорости и энергии в 6,5 ТэВ и, если повезет, столкнуться друг с другом.
“ЦЕРН строился шаг за шагом, – рассказывает Константин Томс. – Он начинался с совсем маленького ускорителя – PS, протонного синхротрона. Потом был выкопан семикилометровый туннель для SPS – суперпротонного синхротрона. И хотя все это было построено 50 лет назад, эти ускорители и сейчас активно используются, они служат предускорителями друг для друга и для БАК: протоны сначала разгоняются в маленьком линейном ускорителе, потом в кольце PS, потом в SPS и потом они уже впрыскиваются в БАК”.
Кольцевая форма ускорителей обусловлена тем, что двигающиеся по кругу заряженные частицы можно вновь и вновь подталкивать с помощью электрического поля – это нередко сравнивают с тем, как родители разгоняют детей на карусели. Однако сами по себе частицы не умеют летать по кругу, они движутся только по прямой, и для того, чтобы поворачивать их, нужно мощное магнитное поле, которое в ускорителях ЦЕРНа создается в общей сложности 1624 сверхпроводящими магнитами, охлажденными до температуры меньше 2 Кельвинов, то есть почти до абсолютного нуля. Чем выше энергия у частицы, тем сложнее ее повернуть, а значит, тем больше ее траектория в ускорителе должна быть похожа на прямую. Поэтому для кольцевых акселераторов так важен размер: чем больше радиус туннеля, тем выше может быть энергия движущихся по нему частиц при той же мощности магнитов. “В БАКе создаются самые сильные магнитные поля из тех, что доступны человечеству за разумные деньги”, – говорит Томс.
Управление всеми ускорителями происходит из центра, находящегося внутри коллайдерного кольца. Контрольная комната похожа на ту, что в ATLASе, но она намного просторнее. Пространство разделено на четыре зоны: три для ускорителей, PS, SPS, БАК, и еще одна – для всего криогенного оборудования, которое поддерживает внизу температуру, близкую к абсолютному нулю.
Рэймонд Велесс, руководитель группы протонных пучков в ЦЕРНе, объясняет, как устроена работа специалистов центра управления. В сущности, они похожи на диспетчеров, направляющих частицы из одного ускорителя в другой. Когда около двух тысяч пучков, набравших почти световую скорость и достаточную энергию, впрыснуты в основное кольцо Большого адронного коллайдера, они могут путешествовать и сталкиваться в нем больше десяти часов. Но в это время предыдущие ускорительные ступени, PS и SPS, не простаивают без дела, они разгоняют частицы для других экспериментов ЦЕРНа, например, связанных с физикой антиматерии и ядерной медициной. Если посмотреть на схему ускорительной инфраструктуры, видно, что она напоминает план метрополитена какого-то диковинного города: три кольцевых туннеля, соединенных запутанными развязками, и множество ответвлений, ведущих на дополнительные экспериментальные установки.
Сейчас, когда коллайдер остановлен, большинство экранов контрольной комнаты погашены. На больших мониторах, которые развешены по всей территории ЦЕРНа, горит надпись “NO BEAM” и указан текущий уровень потребления энергии – около 50 МВт*час, почти в четыре раза меньше, чем когда БАК запущен. Большинство специалистов сейчас работает внизу, в туннелях: “Когда коллайдер останавливали на два года, это было похоже на возвращение новенького корабля из первого большого плавания, с его дна нужно было ободрать ракушки, заделать мелкие трещины, что-то подкрасить, поставить новые более мощные турбины, – говорит Велесс. – Нынешняя короткая остановка – это тоже возвращение в док, просто ремонт не настолько капитальный”.
Сотрудники ЦЕРНа не делятся на подземных и наземных, спускаться вниз время от времени приходится практически каждому, у любого физика есть своя каска, любой умеет работать отверткой и знает, как починить и настроить оборудование, которое находится в зоне ответственности его группы. “Быть внизу – особое, удивительное чувство, – говорит Велесс, – по крайней мере, если не спускаться туда слишком часто”. Кстати, главное средство передвижения по коллайдерному кольцу – велосипеды. Велесс объясняет, что между двумя соседними техническими шахтами около 4 километров, а бензиновым двигателем пользоваться нельзя – из-за выхлопных газов.
Специалисты, занимающиеся ускорением пучков, подносят снаряды физикам, работающим на экспериментах, но, как объясняет Велесс, все в ЦЕРНе чувствуют причастность к большой науке, разделяют радости новых открытий и разочарование от их отсутствия:
“До того, как был открыт бозон Хиггса, было несколько тяжелых лет. Строительство БАКа было невероятно сложной и дорогостоящей задачей, а когда он наконец заработал, не было никакой гарантии, что из этого что-то получится. Я очень хорошо помню день, когда было объявлено об открытии, это было невероятно, я сам вложил в эту работу 15 лет жизни, и этот восторг разделяли все вокруг”.
В контрольной комнате ускорителей стоит самая длинная батарея бутылок из-под шампанского – их здесь несколько десятков, и в этот ряд затесалась даже пустая тара из-под русской водки. А самая главная бутылка дорогого Veuve clicquot, открытого в честь бозона Хиггса, теперь выставлена в музее.
Теперь, когда я приезжаю на родину в Англию, мне не приходится объяснять, чем я занимаюсь, все знают, что наша деятельность важна для всего человечества
“Открытие бозона Хиггса, конечно, придало всем здесь дополнительную мотивацию, – говорит Велесс, – и еще оно сделало ЦЕРН по-настоящему знаменитым. Теперь, когда я приезжаю на родину в Англию, мне не приходится объяснять, чем я занимаюсь, все знают, что наша деятельность важна для всего человечества”.
Велесс рассказывает, что, по подсчетам его коллеги, количество материи, использованной для создания протонных пучков в коллайдере с момента его запуска, эквивалентно одной крупинке соли. Одна крупинка соли и километры туннелей, сотни тысяч тонн металла, высокие технологии, лучшие инженеры, техники и ученые. “Я не перестаю удивляться, что вся эта огромная машина работает, что все бесчисленные системы действуют согласованно, – говорит Велесс. – Поверьте, Большой адронный коллайдер устроен намного сложнее космического корабля”.
***
Ежесекундно в каждом из четырех экспериментов Большого адронного коллайдера происходит 60 миллионов столкновений, если бы все они обрабатывались и превращались в информацию, получилось бы 1 петабайт данных в секунду. Петабайт – это 1024 терабайта, столько информации весь Google обрабатывает за час.
“В мире не существует системы, которая могла бы справиться с таким потоком информации”,
– говорит Юлия Андреева, руководитель группы операций системы GRID дата-центра ЦЕРНа. Поэтому данные фильтруются триггерами, сокращая информационный поток примерно в 100 тысяч раз, оставляя только то, что представляет интерес для науки.
Вся собранная информация записывается на магнитные ленты и архивируется для длительного хранения – произошедшие сегодня столкновения могут стать основой новых открытий через много лет. Сейчас в ЦЕРНе хранится около 100 петабайт данных. Первичная обработка происходит практически в режиме реального времени, физики могут обновлять свои графики и искать на них аномальные холмики, бампы, параллельно с тем, как в детекторах сталкиваются протоны. Но для глубокого анализа нужны вычислительные мощности, которыми сам по себе ЦЕРН не располагает.
“Здесь расположен вычислительный центр первого уровня, так называемые "tier-0", – рассказывает Андреева. – Наш брат-двойник находится в Будапеште, который выиграл тендер на размещение дублирующего дата-центра несколько лет назад”. И это – только ядро огромной информационной сети, GRID, которая строилась на протяжении 10 лет. “Концепция GRID была выдвинута двумя американскими учеными, Фостером и Кессельманом, их идея была в том, чтобы создать систему распределенных вычислений, к которой можно подключиться с такой же легкостью, с какой вы подключаетесь к электрической сети”,
– объясняет Андреева. Когда стало понятно, что расширять дата-центр самого ЦЕРНа слишком сложно и дорого, распределенная сеть оказалась самым эффективным выходом.
В GRID входит более 170 узлов по всему миру, как правило, это вычислительные центры научных институтов и университетов, участвующих в коллаборациях коллайдера. “У нас здесь нет никакого суперкомпьютера, – говорит Андреева, – у нас просто очень много компьютеров в разных уголках мира, и они соединены так, что пользователь видит этот вычислительный ресурс как единый, у него создается впечатление, что задача решается вообще на его ноутбуке. На самом деле в тот момент, когда он запускает свою вычислительную задачку, она может попасть в Нью-Йорк, в Москву, в Токио, туда, где сейчас есть больше свободных ресурсов”.
GRID – самая большая в мире система научных распределенных вычислений: 170 узлов в 40 странах мира, в том числе в Курчатовском институте в Москве, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне и в Институте ядерной физики в Гатчине под Санкт-Петербургом. 10 тысяч пользователей, 250 тысяч задач, решаемых одновременно. Пионером информационных технологий ЦЕРН становится регулярно. Здесь создавались первые методы обработки больших данных, здесь был когда-то изобретен веб-протокол интернета, здесь находился первый в истории веб-сервер, который сейчас стоит в качестве музейного экспоната в помещении дата-центра. Ни одна другая некоммерческая организация в мире не создает столько данных и не требует таких вычислительных мощностей – ЦЕРНу неизбежно приходится придумывать свои технологические решения и использовать самые современные из тех, что появляются во внешней индустрии.
“Когда я начала здесь работать, данные из ЦЕРНа в другие центры передавались либо по почте, либо перевозились специальными грузовиками, а внутри ЦЕРНа их вообще возили на велосипеде, и это был самый быстрый способ при тогдашнем уровне сетей, – вспоминает Юлия Андреева. – Когда появились более совершенные сетевые технологии, мы стали использовать их одними из первых”.
Андреева рассказывает, что потребность ЦЕРНа во внедрении самых последних технологий влияет даже на кадровую политику дата-центра: “В ускорительном отделе, если человек хорошо работает, то его стараются всеми способами сохранить и дать ему постоянный контракт, а в IT постоянный контракт довольно сложно получить, потому что психология такая, что всегда нужны свежие люди, молодежь, которые лучше знают, что происходит прямо сейчас на рынке, и могут привнести свои идеи”.
ЦЕРН состоит из множества групп, у каждой из которых свои задачи. Ускорительный отдел поставляет протонные пучки на детекторы, эксперименты фиксируют результаты столкновений, дата-центр сохраняет и обрабатывает данные, физики по всему миру через систему GRID анализируют полученную информацию. Каждый из элементов этой цепочки работает во многом автономно, но ощущение причастности есть у всех. “Да, мы здесь, в дата-центре, как бы немножечко обособлены, поскольку мы не занимаемся физическим анализом, – говорит Андреева. – Но когда была пресс-конференция, на которой объявили об открытии бозона Хиггса, я плакала и многие люди вокруг плакали тоже. Вы не представляете себе, насколько это был эмоциональный момент”.
ЗА ПРЕДЕЛЫ ВООБРАЖЕНИЯ
Предновогоднее известие о новом сигнале на массе в 750 ГэВ может стать предвестником следующего большого открытия на коллайдере, даже более важного, чем бозон Хиггса. Бозон Хиггса стал последним элементом пазла Стандартной модели, он подтвердил состоятельность теоретических представлений об устройстве природы. Иногда говорят, что бозон Хиггса стал для физики не столько открытием, сколько закрытием. А вот наблюдение феноменов за пределами Стандартной модели, частиц, не предсказанных ей, приоткроют для нас совершенно новую физику.
Впрочем, пока об этом говорить рано. ЦЕРН даже выпустил специальный пресс-релиз, в котором подчеркивается, что новой физики коллайдер не видит – пока что.
“Мы должны быть максимально осторожными, – говорит Константин Томс. – Регулярно случаются истории, когда исследователи слишком торопятся с объявлением результатов, вроде прошлогоднего сообщения о наблюдении би-мод реликтового излучения или регистрации движущихся со сверхсветовой скоростью нейтрино. В обоих случаях это оказалось ошибкой, во втором случае дело вообще было в плохо вставленном в гнездо оптическом кабеле. ЦЕРН старается таких ошибок избежать всеми силами. Под любой статьей, которую выпускает наш ATLAS, подписывается вся коллаборация, статья может быть длиной в четыре странички, после чего идет, как мы говорим, братская могила на 20 страниц – имена всех трех тысяч человек, включая тех, кто никогда этим анализом не занимался. Каждый ставит на кон свою личную репутацию”.
Впрочем, Томс выражает осторожный оптимизм, его интуиция говорит, что при наборе дополнительных данных замеченный сигнал все же не “рассосется”. Так или иначе, прежде чем будет набрана необходимая для достоверности в 5 сигма статистика, пройдет еще много месяцев, а может, и несколько лет.
Если новое открытие произойдет, в контрольной комнате ускорителей снова откроют шампанское. Физики и инженеры, собравшиеся на пресс-конференции, будут ликовать и плакать. Но что это даст человечеству?
Вы не выходите за рамки вашего воображения, прорыв за его границы случается, только когда вы наблюдаете за природой и идете наобум, вслепую
“Знаете, в чем преимущество прикладных исследований над фундаментальными? – спрашивает Кристоф Шёфер. – В прикладных исследованиях вы заранее знаете результат. Вам нужен еще более плоский телевизор или еще более быстрая машина. Ясная цель определяет прямой и эффективный путь к ней, это то, что так любит промышленность. А знаете, в чем проблема прикладных исследований? Да в том же самом – результат заранее известен. Вы не выходите за рамки вашего воображения, прорыв за его границы случается, только когда вы наблюдаете за природой и идете наобум, вслепую”. Без фундаментальных исследований не было бы квантовой механики и теории относительности, а без них невозможно было бы создать смартфон, которым вы пользуетесь сегодня, сто лет спустя. “В начале 19-го века английский физик Фарадей занимался электричеством, о котором тогда никто не знал, – рассказывает Шёфер. – Однажды его пригласили выступить на заседании Королевского общества в Лондоне. И когда Фарадей закончил рассказ, один из членов общества сказал: “Ваше электричество – это конечно очень интересно. Но зачем оно нужно?" Фарадей ответил: “Я не знаю. Но через сто лет один из ваших потомков введет налог на использование моего изобретения”. И вы знаете – он ведь оказался прав”.