Для поиска темы - пользуйтесь СИСТЕМОЙ ПОИСКА


Стоимость дипломной работы


Home Интересно... Фабрика аномалий.

Фабрика аномалий.
загрузка...
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Фабрика аномалий.

Как Большой адронный коллайдер пробивает окно в новую физику и что такое работать в ЦЕРНе.

 

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, за год выходит 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.


 
загрузка...

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить