Не потеряли ли на Большом адронном коллайдере свидетельства наличия новой физики?

Original author: Ethan Siegel
  • Translation


Детектор частиц ATLAS на БАК в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. БАК, построенный внутри подземного туннеля окружностью в 27 км, является крупнейшим и мощнейшим ускорителем частиц и крупнейшей машиной в мире. Но он способен записывать лишь малую долю собираемых им данных.

В Большом адронном коллайдере протоны одновременно кружатся по часовой и против часовой стрелки, и сталкиваются друг с другом, двигаясь при этом со скоростью, составляющей 99,9999991% от скорости света. В двух точках, где по схеме должно происходить наибольшее количество столкновений, построены огромные детекторы частиц: CMS и ATLAS. После миллиардов и миллиардов столкновений, произошедших на таких огромных энергиях, БАК позволил нам продвинуться дальше в нашей охоте за фундаментальной природой Вселенной и пониманием элементарных строительных блоков материи.

В сентябре прошлого года БАК отметил 10 лет своей работы, открыв бозон Хиггса, что стало его главным достижением. Но, несмотря на эти успехи, на нём не было обнаружено никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или новой фундаментальной физики. А что хуже всего – большая часть данных, полученных с БАК, навсегда теряется.


Коллаборация CMS, чей детектор перед финальной сборкой можно видеть на фото, выпустила наиболее полные результаты своей работы. В них нет никаких признаков физики, выходящей за пределы Стандартной модели.

Это одна из самых непонятных загадок в физике высоких энергий, по крайней мере, для простых людей. БАК не просто утерял большую часть данных: он потерял невероятные 99,997% из них. Именно так: из каждого миллиона столкновений, происходящих на БАК, остаются записи, касающиеся только порядка 30.

Это происходит по необходимости, из-за ограничений, налагаемых законами природы, а также способностями современных технологий. Но этому решению сопутствует ощущение страха, усиливающееся из-за того факта, что кроме ожидаемого бозона Хиггса ничего более открыто не было. Страх состоит в том, что существует новая физика, ждущая, что её откроют, но мы пропустили её, выбросив все нужные данные.


Событие-кандидат на четыре мюона в детекторе ATLAS. Следы мюонов и антимюонов показаны красным, а долгоживущие мюоны проделывают более длинный путь, чем любые другие нестабильные частицы. Это интересное событие, но на каждое записанное событие приходится миллион отброшенных.

Но у нас не было выбора. Что-то всё равно пришлось бы отбрасывать. БАК работает, ускоряя протоны до скорости, близкой к световой, запуская их в противоположных направлениях и сталкивая их друг с другом. Так у ускорителей частиц получалось лучше всего работать уже несколько поколений. Согласно Эйнштейну, энергия частицы является комбинацией её массы покоя (которую вы, возможно, узнаете, как E = mc2), и энергии движения, также известной, как кинетическая. Чем быстрее вы двигаетесь – или, точнее, чем сильнее вы приближаетесь к скорости света – тем большую энергию частицы вы можете получить.

На БАК мы сталкиваем протоны на скоростях 299 792 455 м/с, всего 3 м/с не дотягивая до скорости света. Сталкивая их на таких высоких скоростях, когда они двигаются в противоположную сторону, мы делаем возможным существование частиц, которые не могли бы появиться в иных условиях.


Внутренности БАК, где протоны летят на скоростях 299 792 455 м/с, всего 3 м/с не дотягивая до скорости света.

Причина в следующем: все частицы (и античастицы) создаваемые нами, обладают определённым количеством присущей им энергии в виде массы покоя. При столкновении двух частиц часть этой энергии должна перейти к отдельным компонентам этих частиц, в их энергию покоя и в кинетическую энергию (т.е. энергию движения).

Но если энергии будет достаточно, часть её может пойти на производство новых частиц! Вот тут уравнение E = mc2 становится интереснее: дело не только в том, что всем частицам массы m присуща энергия E, но и в том, что при достаточном количестве доступной нам энергии мы можем создать новые частицы. На БАК человечество достигло больших энергий в столкновениях, породивших новые частицы, чем любая другая лаборатория в истории.


Физики искали на БАК признаки огромного количества вариантов потенциально новой физики, от дополнительных измерений и тёмной материи до суперсимметричных частиц и микроскопических чёрных дыр. Но несмотря на все данные, собранные в этих столкновениях на высоких энергиях, свидетельств этих сценариев так и не нашли.

На каждую частицу приходится примерно 7 ТэВ энергии, то есть каждый протон получает кинетическую энергию, в 7000 раз превышающую свою энергию покоя. Однако столкновения происходят редко, а протоны не просто крохотные – они по большей части пустые. Для увеличения вероятности столкновения нужно брать больше, чем один протон за раз; протоны впрыскиваются группами.

Это означает, что на полной мощности внутри БАК во время его работы по часовой и против часовой стрелки носится множество небольших групп протонов. Длина туннелей БАК составляет примерно 26 км, и каждую группу протонов разделяет всего 7,5 м. Эти протонные лучи сжимаются перед взаимодействием в центральной точке каждого детектора. И каждые 25 наносекунд появляется шанс на столкновение.


Детектор CMS в ЦЕРН – один из двух наиболее мощных детекторов из когда-либо созданных. В среднем каждые 25 наносекунд в его центре сталкиваются новые группы частиц.

Так что же делать? Рассчитывать на небольшое количество столкновений и записывать каждое из них? Это будет огромной тратой энергии и потенциальных данных.

Вместо этого мы накачиваем достаточно много протонов в каждую группу, и каждый раз при столкновении лучей мы получаем хорошие шансы на столкновение частиц. И каждый раз при таком столкновении частицы рвутся во все стороны внутри детектора, запуская сложную электронику и схемы, позволяющую нам воссоздать, что было создано, когда и в каком месте детектора. Это похоже на гигантский взрыв, и только измерив все кусочки шрапнели, вылетевшие из него, мы можем воссоздать произошедшее (и те новые вещи, что мы создали) в момент вспышки.


Событие с бозоном Хиггса в CMS на БАК. Энергия этого эффектного столкновения на 15 порядков меньше планковской, но именно точные измерения детектора позволяют нам воссоздать, что произошло в точке столкновения.

Однако, здесь возникает проблема сбора и записи всех данных. Детекторы крупные сами по себе: CMS размером 22 м, а ATLAS – 46 м. В любой момент внутри CMS возникают частицы, происходящие из трёх разных столкновений, а в ATLAS – из шести. Чтобы записать данные, необходимо сделать два шага:

  1. Данные нужно перенести в память детектора, ограниченную скоростью электроники. Хотя электрические сигналы перемещаются почти со скоростью света, мы можем «запомнить» только примерно одно из пятисот столкновений.
  2. Данные в памяти нужно записать на диск (или другой постоянный носитель), а это происходит гораздо медленнее, чем запись данных в память. Приходится решать, что хранить, а что выбросить.



Схематическая диаграмма того, как в систему поступают данные, запускают датчики, проходят анализ и отправляются на постоянное хранение. Это диаграмма для ATLAS, она немного отличается от диаграммы для CMS.

Мы используем некоторые трюки для того, чтобы гарантировать выбор событий с умом. Мы сразу же изучаем многие факторы столкновений, чтобы определить, стоит ли изучить их тщательнее или нет: это то, что мы называем триггером. Проходя триггер, мы попадаем на следующий уровень. (Также сохраняется малая толика данных, не прошедших триггер, просто на случай появления интересного сигнала, для которого мы не подумали сделать триггер). Затем применяется второй слой фильтров и триггеров; если событие оказывается достаточно интересным для его сохранения, оно поступает в буфер, чтобы гарантировать его запись на носитель. Мы можем гарантировать, что любое отмеченное «интересным» событие сохраняется, вместе с небольшой долей неинтересных событий.

Поскольку оба этих шага необходимы, мы можем сохранить лишь 0,003% для дальнейшего анализа.


Кандидат на бозон Хиггса в детекторе ATLAS. Даже с явными признаками и идущими поперечно треками, видно наличие огромного количества других частиц; всё оттого, что протоны – частицы составные. Это так работает только потому, что Хиггс придаёт массу фундаментальным составляющим этих частиц.

Откуда нам знать, что мы сохраняем нужные части информации? Те, в которых с наибольшей вероятностью записано создание новых частиц, видно важность новых взаимодействий, наблюдается новая физика?

При столкновении протонов по большей части рождаются нормальные частицы – в том смысле, что они состоят почти полностью из верхних и нижних кварков. (Это такие частицы, как протоны, нейтроны и пионы). Большая часть столкновений проходит вскользь, то есть, большая часть частиц столкнётся с детектором по или против направления движения.


Ускорители частиц на Земле, такие, как БАК в ЦЕРН, могут разгонять их до скорости, очень близкой к световой, но всё же, не достигающей её. Протоны – составные частицы, и из-за движения со скоростью, близкой к световой, после столкновений рассеивание новых частиц идёт по или против направления движения, а не поперёк.

Поэтому на первом шаге мы пытаемся изучать следы частиц относительно высоких энергий, идущие в поперечном направлении, а не вперёд или назад по ходу движения лучей. Мы пытаемся записать в память детектора события, у которых, по нашему мнению, есть наибольшее количество свободной энергии E для создания новых частиц наивысшей возможной массы m. Затем мы быстро сканируем то, что попало в память детектора, чтобы узнать, стоит ли записывать эти данные на диск. Если да, эти данные можно ставить в очередь на постоянное хранение.

В итоге каждую секунду можно сохранить по 1000 событий. Это число может показаться большим – но учтите, что каждую секунду сталкивается порядка 40 000 000 групп протонов.


Следы частиц, появляющиеся благодаря столкновениям с высокими энергиями – снимок с БАК 2014 года. Только одно из 30 000 подобных столкновений записано и сохранено, большая часть потеряна.

Мы думаем, что поступаем умно, выбирая и сохраняя именно то, что сохраняем, но мы не можем быть уверенными на 100%. В 2010 году дата-центр ЦЕРН достиг невероятной вехи: 10 петабайт данных. К концу 2013 года он содержал уже 100 петабайт, в 2017 была пройдена отметка в 200 петабайт. Но при всех этих объёмах мы знаем, что выбросили – или не смогли записать — в 30 000 раз больше данных. Мы могли бы собрать сотни петабайт, но мы отказались и потеряли навсегда многие зеттабайты данных: это больше данных, чем весь интернет создаёт за год.


Общее количество данных, собранное на БАК, серьёзно опережает всё количество данных, отправленных и полученных через интернет за последние 10 лет. Но только 0,003% этих данных было записано и сохранено; всё остальное навсегда потеряно.

В высшей степени вероятно, что БАК создал новые частицы, увидел свидетельства новых взаимодействий, наблюдал и записал все признаки новой физики. Также из-за нашей неосведомлённости о предмете поисков, возможно, что мы всё это выкинули, и продолжаем так поступать. Кошмар об отсутствии физики за пределами Стандартной модели становится реальностью. Однако реальный кошмар состоит во вполне правдоподобной возможности того, что новая физика существует, мы построили идеальную машину для её поисков, нашли её, но так и не осознали этого, из-за принятых нами решений и предположений. Реальный кошмар состоит в том, что мы обманываем себя, веря в Стандартную модель, только потому, что изучили 0,003% от имеющихся данных. Мы думаем, что приняли умное решение, сохраняя выбранные данные, но не можем быть уверены в этом. Возможно, что мы сами, не зная того, навлекли на себя этот кошмар.

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: в чём состоит смысл жизни; почему не сработал план по искоренению мусора в Сан-Франциско; где обнаружились остатки нормальной материи во Вселенной, которые давно не могли найти; есть ли пространство и время; как ещё мы можем искать жизнь на других планетах; и серию статей по космологии "Спросите Итана".

Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!
Golovanov.net
76.34
Компания
Support the author
Share post

Comments 80

    +1
    TL;DR нет.
      +3
      а может нет никакой другой физики?
        +8
        Есть, т.к. есть вещи, которые Стандартная Модель не объясняет. И теоретические, и наблюдаемые. Значит и должна быть теория, объясняющая эти проблемы. Но проблемы в том, что ни одна из гипотез о физике за пределами Стандартной модели пока не подтвердилась.
          0
          может бог просто кости кидает?
            +3
            ну этой гипотезе нужны доказательства, чтобы сделать из неё теорию и выделить область применения
              0
              а как, если по определению результат экспериментов будет непредсказуем, но будет списываться на недостаточное разрешение?
                0
                Подобные гипотезы легко отбрасываются экспериментами. Вначале, нужно придумать эксперимент, т. е. уточнить гипотезу до практического применения (иначе это уже философия, а не наука). Далее результаты сравнивают с распределениями случайных чисел. Если график распределения похож на, например, на график нормального распределения, то гипотеза опровергнута.
              0
              Бог не играет в кости.
              А если без популярных цитат, то это всё же не бросание игральных костей
                0
                это если исходить из предположения, что законы лежат в самом основании мира… а если они чуть-чуть выше, а на фундаментальном уровне законов нет?
                  0
                  Тут же вспоминается Альфа-Центавра: «Einstein would turn over in his grave. Not only does God play dice, the dice are loaded. — Chairman Sheng-ji Yang»
              +1
              Полюбому есть, т.к. в рамках Стандартной модели есть необъясненные факторы.
              Я верю что полное описание «Полной модели» не произойдет никогда, т.к. для этого потребуется вся вселенная и все время. А введение новых моделей только будет до бесконечности «подсвечивать» необъяснимые области.
              Да, собственно, и сами модели нужны больше в прикладном смысле. Чтобы создавать что-то новое. И они не должны быть «полными», а просто необходимы и достаточны для текущих нужд.
                +1
                Я думаю этот спор не имеет смысла пока «мы» не научимся обрабатывать столь большой объем (утерянных) данных.
                  0
                  А есть 1 проблема — следующий этап работы LHC — это много данных. Обработанные данные за 2017 год — это скажем 39.1 fb-1 с одного из упомянутых выше главных детекторов. Скажем с другого из этой пары детекторов точно обработали данные 14 года (Run 1) — 4.5 fb-1 на энергии 7 ТэВ и 20.3 fb-1 на энергии 8 ТэВ.
                  За сеансы работы на энергии 13 ТэВ (Run 2 закончился в прошлом году, Run 3 запланировал на 21-23 год) в сумме все детекторы должны набрать пример но 500 fb-1.
                    0
                    Увеличение светимости коллайдера особо не увеличит объем собираемых и анализируемых данных.

                    Зато оно сильно увеличит количество редких (маловероятных) событий, попадающих в эти данные. Просто те самые триггеры и фильтры перенастроят под увеличившийся поток первичных событий, чтобы откидывать еще больше простых/стандартных ситуаций (по которым и так уже накоплены огромные массивы данных и все уже перепроверено и первычислено кучу раз) и хватало объемов хранения и вычислительных мощностей для обработки интересных процессов, по которым еще остаются вопросы и неоднозначности.
                  –3
                  Тут все предельно просто, поиск новой физики нужно начинать искать в головах ученых, перед этим разрушив догмы старой иначе никак.
                  +11
                  Объектив фотокамеры улавливает лишь 0,00000001% света, отражающегося от Здания. Значит ли это что Здание именно такое высокое, серое и квадратное, всё в окнах? Кто знает…
                    +1
                    Наверное некорректная аналогия.
                    Вы предполагаете что там есть здание и направляете туда камеру. Вы не знаете из чего оно состоит или какой материал имеет потому что скорее всего вы его никогда не видели. Камера записывающая прилетающий свет не даст достаточных данных о теплопроводности неизвестного вам материала например.
                      +7
                      Аналогия состоит в том, что даже если бы камера улавливала бы 100% света, то это не дало бы принципиально больше информации, чем 0,00000001%. Мы точно также определили бы его цвет, число окон, высоту, размер кирпичей и так далее. И да, даже имея 100% данных нельзя было бы определить теплопроводность.
                        +1
                        Мне кажется тут проблема не в том, что сохраняется лишь малый процент данных, а в том, что мы их отсеиваем не случайно, а целенаправленно. По определённым критериям отсеивается целый блок, потому что мы думаем, что нам это уже не интересно. Но вполне может быть что хотя по этим критериям и похоже на известные нам вещи, в непроанализированных частях могли быть какие-то отклонения от нашего понимания.

                        Аналогия скорее должна быть что мы краем глаза глянули на снимок — «прямоугольник» — отбросили, прямоугольные дома нам не интересны. А может быть при более детальном изучении оказалось бы что в рамках этого прямоугольника вписаны намного более интересные формы.
                          +1
                          Там в тексте есть упоминание о том, что дальше проходят и некоторые данные, не прошедшие первый фильтр, т.е. доля нефильтрованных данных также сохраняется и потом подвергается анализу. В этом случае для того, чтобы заподозрить, что первый фильтр скрывает от ученых «новую физику», достаточно рассмотреть только те данные, которые фильтр не прошли, в поисках новых закономерностей (как я понимаю, флаг фильтра-1 где-то тоже сохранен — обратное было бы очень нелогично). В этом случае мы как раз получим 0.00001% от всего потока света, и по-хорошему его нам должно хватить на то, чтобы обнаружить слабые сигналы чего-то неизвестного, если они есть. Поэтому я первым комментом и написал «нет».
                      0
                      При идеальном эксперименте мы должны «не увидеть» 1 фотон из 2 миллионов. Такие критерии ФЭЧ. Если мы точно знаем, что наш прибор мог точно измерить число фотонов, никакие «геометрические ограничения» не поглотили ни одного фотона, а мы увидели 1999995 фотонов — это открытие.
                      0
                      Что будет если в то место, где сталкиваются частицы сунуть голову?
                      0
                      299 792 455 м/с
                      а нужна ли такая скорость
                      если протоны движутся навстречу, каждый со скоростью 299 792 455 м/с относительно трубы.
                      То их скорость относительно друг-друга, вроде как все равно не дотягивает до скорости света.
                      Можно вполовину меньше ресурсов тратить.
                      А если все же встречная скорость больше скорости света, то обломки новой физики застревают в сингулярности и мы их никогда не дождемся оттуда.
                        +12
                        вроде как все равно не дотягивает до скорости света
                        Точно не дотягивает, 100%. Это я вам, как человек, ходивший в школе на уроки физики, говорю.
                          0
                          Это смотря откуда посмотреть, если бы вы сидели в одном из этих протонов, то тут нужно применить релятивистский закон сложения скоростей: (v1+v2)/(1+v1*v2). Но если вопрос поставить по другому через сколько времени встретятся два протона если отправятся на встречу друг другу из одного места в трубе, ответ очевиден — на двоих они преодолеют расстояние трубы вдвое быстрее чем если бы только один из них летел на встречу не подвижному другому, тоже самое касается и двух фотонов излученных в разные стороны, в вашей системе отсчета расстояние между фотонами растет в два раза быстрее света, и выше упомянутая формула здесь вообще не применима, так как оба фотона находятся в одной СО.
                          А фронт вспышки света в одной точке и вовсе расширяется со скоростью с*2*пи, как и 3-мерная вселенная в 4-мерном гиперпространстве.
                          +1
                          Вроде целью постройки БАК было получение более высоких энергий столкновений, чем на предыдущих коллайдерах. Зачем запускать его с вполовину меньшей энергией?
                            0
                            дело не в скорости, а в энергии
                            при приближении к скорости света тела обладающего массой покоя его энергия стремиться к бесконечности, и потому скорость света для такого тела недостижима
                            гораздо интереснее нет ли тел обладающих отрицательной массой, как следствие сверхсветовых, и двигающихся назад во времени? =)
                              +1
                              Чтобы быть сверхсветовым и двигаться назад во времени, масса должна быть не отрицательной, а вообще выражаться мнимым числом. Поэтому есть сильные сомнения в том, что такие частицы существуют.
                              0
                              Энергия-масса частицы растёт квадратично от скорости. В этом же весь смысл: столкновение частиц высоких энергий.
                                0
                                Там немного не так, все же mc2 и пересчет в систему ЦМ. Не самая плохая идея — не только коллайдеры типа LHC на энергию 8 или 13 ТэВ на пару частиц, но и работал более скромный давно (основные результаты в годах 2000-06).
                                Сталкивали протоны с электронами (318 ГэВ) и позитронами (300 ГэВ). Основное достижение — опосредованное изучение W-бозона («заряженные токи»), изучение матрицы связи u- и d-кварка с векторными бозонами, аксиально-векторной связи Z-бозона («нейтральные токи») с этими 2 кварками и т.д…
                                Возможно потому, что указанная энергия на пару частиц превышала «3 массы векторного бозона», что условно я описываю как высокую вероятность столкновения «реального» кварка из состава протона с электроном/позитроном при энергии рождения «реального бозона»
                              –1
                              Кошмар об отсутствии физики за пределами Стандартной модели становится реальностью.
                              Это еще не кошмар. Настоящий ужас можно испытать если разобраться какую физику за пределами стандартной модели физики надеются найти в БАК в самых радужных мечтах. Это просто еще более сложная математика на тех же принципах квантовой механики и прочих. Никаких новых полезных физических эффектов или возможностей, никакой новой картины мира.
                                +1
                                а если мир описывается не математикой, ну че он, компьютерная симуляция, в самом-то деле?
                                  +1
                                  Суть моего сообщения была не в том, что физики делают что-то неправильно. Суть в том, что мир оказывается скучнее, чем нам хочется или чем может показаться пока не вникнешь в детали.
                                    0
                                    Мир невероятно скучен.
                                    После обработки всей статистики Run 1
                                    image

                                    После обработки всех данных 2016 года:
                                    Сага с процессом топ-антитоп-хиггс подошла к концу: он тоже оказался стандартным

                                    Источник.
                                      +2
                                      На Run2 наметилось что-то интересно — стабильно вылезают какие-то небольшие аномалии почти во всех процессах с участием b-кварков. Наблюдаются различные отклонения от предсказаний СМ и они пока упорно не «рассеиваются» по мере анализа все большей статистики, как должно происходить при случайных совпадениях (флуктуациях).

                                      Пока ничего конкретного не открыли, но появляется все больше намеков, что с b-кварками «что-то не так». Уже начали даже обсуждать вопросы строительства специализированных коллайдеров и детекторов оптимизированных для изучения b-кварков отдельно (b-фабрики). Благо для b в отличии от Хиггса и Топ-кварка запредельных энергий и соответственно размеров ускорителей не требуется.

                                      Но что-то интересное возможно уже будет после завершения полного тщательного анализа всех данных собранных в Run2. Полноценное открытие врядли, но вполне возможно получат указания на то, куда копать дальше и что это вообще такое может быть.
                                        0
                                        Если нужна фабрика B-мезонов — создаем протон-антипротонный коллайдер на суммарную энергию 526-1142 ГэВ (такой себе мини-Теватрон) и пробуем набрать больше обратных фемтобарн, чем уже набрал LHCb.
                                        P.S. Я в курсе, на Элементах именно за разделом про LHC активно слежу.
                                –3
                                То есть вбухали кучу бабла в этот коллайдер и даже не в состоянии обработать ничтожную долю информации которую он дает и собираются еще большие коллайдеры строить.
                                Страх состоит в том, что существует новая физика, ждущая, что её откроют, но мы пропустили её, выбросив все нужные данные.

                                Не там ученые ищут «новую физику», ее нужно сперва в своих головах найти, а для этого нужно выбросить в утиль свои почти религиозные представления о физике «старой», но для этого нужно сперва выйти из общего «стада» и перестать мычать вместе с ним.
                                  0
                                  Но, несмотря на эти успехи, на нём не было обнаружено никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или новой фундаментальной физики.

                                  Обнаружены редкие распады мезонов и отклонения в вероятностях распадов. Обнаружен не только бозон Хиггса (предсказанная частица, но не обязательная в СМ), но и вполне обычные частицы (дважды очарованный барион с зарядом +2, 2017 год).
                                  А так, да. Кроме некоторых намеков Стандартная модель остается стандартной.
                                    0
                                    Физика неоткрытая есть, но ни БАК, ни новый коллайдер не помогут в ее открытии ;)
                                    • UFO just landed and posted this here
                                        0
                                        а что-то мешает менять эти триггеры, например, после проведения 1000 однотипных экспериментов?
                                          0
                                          Разобрать бандуру массой 7000 тонн или 14000 тонн? Может начнут модернизацию скоро.
                                          Например — второй детектор есть «просто» кремниевая матрица, почти ПЗС-сензор в фотоапарате, тут их 6000 на кв. см. То есть при такой плотности камера 60 Мп имела бы площадь 1 на 1 метров.
                                            0

                                            Hасколько я понял, триггеры (большая часть их, как минимум) там программные. Ну или прошивкой задаются.

                                              0
                                              Что-то Вы наверное напутали. Есть конечно какой-то микрокод, но наверное он вшит в очень постоянную память.
                                              Может я не понял Ваш изначальный вопрос. Если Вы предлагаете глобально переделать детектор, то возникнет такая проблема. Сейчас мы точно знаем, что детектор «теряет» 99.9..9% «неинтересных событий». Знаем его геометрию, расположение каждого «пикселя» и т.д. После любого изменения архитектуры нужно будет как-то «откалибровать детектор».
                                              Программный код там есть и конечно на этапе HL-LHC его тоже нужно будет переделать полностью.
                                                0
                                                Первый уровень чисто аппаратный, все критерии и «алгоритмы» вшиты в железо. Никаких процессоров не хватит с такой скоростью, а главное с такими минимальными задержками обрабатывать данные. Ведь события могут происходить каждые 25 наносекунд (до 40 миллионов в секунду, каждое из которых порождает кучу информации с датчиков — пара мегабайт в сжатом виде) на каждом их детекторов.

                                                А вот на следующих уже программные, первичной обработкой которых судя по приведенной диаграмме занимаются два выч. кластера с 7500 ядер в каждом.
                                              0

                                              Они даже на каждый отдельный ран [серия столкновений] меняются в некоторых случаях.
                                              Ну а также триггеры у тяжелоионных столкновений отличны от протонных.

                                                0

                                                Тогда почему можно говорить о потере информации? Если ее сохранение ограничивает (условно) пропускная способность систем хранения, то серия одинаковых экспериментов с разными настройками триггеров не позволит ли сохранять больше, чем заявлено в статье? Физика постулирует при одинаковых начальных условиях повторяемость результатов. И даже если результат является вероятностным, то статистика в серии все равно одинаковая.

                                                  0

                                                  Потому, что для процессов с малым сечением [вероятностью] необходимо набрать большое число данных. Триггера же настраиваются исходя из свойств процессов, которые интересуют ученых.
                                                  Вот и получается, что для случаев "непонятно что и непонятно как происходит, никто не задумывал это изучать при сборе данных" остаются только небольшоя часть случайно отобранных событий, где статистики по отдельному процессу может быть недостаточно.

                                                    0
                                                    Скажем есть у нас процесс, его сечение на энергии столкновения протонов 13 ТэВ оценивается как 0.1 fb. Наберем 300 fb-1 статистики — получим 30 событий. Часть из них вообще не попадет в детектор («геометрические ограничения»).
                                              0
                                              интересно под каким количеством давления этот процесс разгона и столкновения происходит?
                                              а именно с какой силой
                                                0
                                                Вы имеете в виду не вопрос о глубине вакуума? Хотите оценить понятие «сила давления 2 протонов друг на друга»?
                                                Можно условно разделить энергию столкновения 2 партонов на сечение столкновения. Что бы получить «давление» Вам по идее нужно поделить на длину пути.
                                                Скажем для процесса W + b -> t в виде условной оценки времени столкновения можно взять время жизни бозона или b-кварка. Последний вариант менее корректный, т.к. кварк летит с сильно рел. скоростью в системе ЦМ. Но типичное время жизни покоящегося кварка — более 1.5 пс. Для указанного мною процесса кин. энергия столкновения должна превысить энергию покоя W-бозона. Характерным же сечением процесса с W-бозоном можно взять
                                                pi*r2,
                                                где r — радиус слабого взаимодействия (порядка 1 ам).
                                                  0
                                                  нет, именно глубина вакуума в самой этой системе. под каким давлением они находятся вообще. протоны по умолчанию.
                                                  у меня такой глупый вопрос. я чутка в этом не особо секу=)) от слова совсем.
                                                  представьте катушку проводов, в центре магнит. получаем обыкновенный моторчик.
                                                  а если заменить катушку системой где эти протоны гоняются, ну не обязательно протоны, может че та еще там можно разгонять. Cила давления наверное в этой «системе» будет играть важную роль. Вакуум в катушке коллайдера. Чтоб сократить расстояние между частицами протонов. Которые вращаются со скоростью света в этой катушке.
                                                  Так вот вопрос. Что в центр можно поместить вместо магнитика? И что за силу эта штуковина создаст в этом самом центре? тоже магнит будет вращать иполучится моторчик что ли? или Швейцария исчезнет?=) а может у них получится собрать «звездные врата»
                                                    0
                                                    В любой штуке типа тороидальной катушки есть сила давления магнитного поля катушки на ток, текущий в самих проводах.
                                                    С другой точки зрения, по 2му закону Ньютона сила, удерживающая протоны на круговой траектории, вызывает также силу действия самих протонов на ток в катушке. Но я сейчас сходу не скажу, с учетом СТО, какой вообще ток создают протоны в коллайдере, если оценить в А/см2.
                                                    Расстояние между пучкам протонов там скажем 7.5 метров (всего 2808 пучков типичный рабочий режим).
                                                      0
                                                      я к чему это всё. на таких скоростях меняются и свойства материй и такое понятие как время наверное. типа — параллельные линий пересекаются в бесконечности. так вот под сильным давлением и скоростью эти протоны хз что сделают. но они наверное срастутся? или будет что та вроде искажения, образованного за счет того что их тупо закрутит в воронку которая в итоге и станет катастрофой создав дыру.
                                                      интересно там на коллайдере «разгон» оптимизируется с использованием «нейро сетей»?
                                                      как я это вижу. две половинки плотно сжатые между собой крутятся по кругу с колоссальной скоростью бесконечности, в итоге они вероятнее всего теряют свойста физической материй (так как там должно меняться и само понятие как время) и сливаются как проекции. а дальше вероятно сбой системы. потому что забыли парочку условий, о которых и не знали. и дырка от бублика вместо банков=)
                                                      но если стабилизировать и поставить что та вроде логистических рельс для движения то должно получиться когда нить старгейт.
                                                      а не должны они, протоны как лазерный стеклорез каким то образом внутри круга по которому они двигаются сделать рез в пространстве? при достижений определенных условий, или вернее при созданий этих самых условий
                                                        0
                                                        Может выйдет создать очень маленькую ЧД. А так, при столкновении возникает обычная кварк-глюонная плазма:
                                                        Если же плазма успела образоваться, то в гуще кварковой материи успевают тепловым образом родиться многочисленные странные кварки, которые затем превращаются в странные адроны.

                                                        Источник.
                                                        В результате активно рождаются барионы с 2 или 3 странными кварками (об образовании барионов с более тяжелыми кварками в данном случае речь не идет).
                                                          0
                                                          скорее всего ничего не образуется. концентраций протонов не хватит. и масштабы не те. Будь эта установка размером с ладонь. Тогда бы и засекли и увидели образование в миниатюре. Лет через 50 придут к первым шагам в сторону открытия ЧД. И научатся замерять. Может через 150 научатся создавать контролируемые процессы образования ЧД. Потом начнут исследовать и поймут что их можно использовать как передатчики или наконец та добро пожаловать в SG. Параллельно откроют новые материй и что та типа филосовского камня.=)).
                                                          Именно момент вращания под внешним давлением в коллайдере в одном направлений в большой концентраций должен привести к созданию предпосылок ЧД. Момент массового перехода-образования «странных кварков и будет этим. Вихреобразно начнут закручиваться и создавать импульс. И тд и тп короче зайду почитать через пфол века. Спс за ссылки, начинаю врубаться как это всё называется по научному
                                                            0
                                                            Странные кварки — это просто кварки:)
                                                            В принципе, даже при столкновении пары протонов с энергией по 900-980 ГэВ легко образовались очарованные барионы типа кси-нуль-гиперон и кси-плюс-гиперон (детектор CDF), ещё всякие такие (тот же детектор); точнее — это было столкновение протонов с антипротонами. А теоретически могли бы образоваться даже при энергии 1063 ГэВ на пару нуклонов.
                                                            Куда интереснее вопрос — как эти барионы образуются в столкновении электрона с позитроном.
                                                        0
                                                        А зачем нам СТО тут?
                                                        Есть протоны с известным зарядом, есть их кол-во в одном сгустке (100-200 миллиардов штук ЕМНИП), есть кол-во этих сгустков в пучке, есть их скорость ~= скорости света за счет чего весь пучок делает порядка 10 тыс. оборотов в секунду по кольцу.

                                                        Исходя из этого ток пучка получается около 1 А. Диаметр сжатия пучка правда не помню, вроде несколько микрон.
                                                          0
                                                          СТО всегда причем:)
                                                          Сначала про диаметр пучка — несколько больше, даже перед столкновением:
                                                          При движении через ускоритель поперечные размеры пучков поддерживаются довольно большими — порядка миллиметров, но в точке пересечения пучков они сильно фокусируются, вплоть до нескольких сотых долей миллиметра.

                                                          СТО в терминах силы — это сила Лоренца
                                                          F = q*gamma*(E+[v/c,B]) = dp/dt (вроде так), p — это значит mv*gamma.
                                                          Тока плотность и плотность заряда в пучке — это тоже релятивистские величины, а формула силы Лоренца описывает величину напряженности эл поля E' в СО движущейся частицы.
                                                          Но наверное уже обсуждал где-то, что вместо учета «силы действия пучка на магниты» нужно учесть силу, с которой магниты пробуют оттолкнуться друг от друга.
                                                            0
                                                            Там а зачем нам силы в СО летящего пучка считать, если цель выяснить эффект оказываемый на неподвижные магниты?
                                                              0
                                                              Тогда нам нужно считать силу тока… Ага, вспомнил. СТО преобразовывает плотность величины, но не сами заряд и силу тока?
                                                              И магнитное поле можно приблизительно посчитать как поле тока виде кольца длиной 27 км и сечением тока много меньше диаметра кольца.
                                                              Сила тока для 1 протона будет равна «заряд электрона»/«время пролета кольца» (менее 0.1 мс).
                                                                0
                                                                Да, насколько помню с самим зарядом и силой тока отличий нет, а плотность меняется из-за изменения метрики пространства.

                                                                Силу тока как раз так и посчитал выше — почти 1 ампер получится. Вполне «приземленные» значения, хотя по меркам укорителей ток пучка в 1А это огромные значения — обычные значения это единицы — десятки мА обычно.

                                                                Кстати, только сейчас сообразил — суммарное магнитное поле от непосредственно пучков вообще близко к нулевому должно быть. В БАК же 2 практически одинаковых пучка движущихся параллельно (кроме нескольких точек столкновения в детекторах) но в противоположных друг другу направлениях. Как в прочем и во всех коллайдерах на встречных пучках.

                                                                Но т.к. коллайдер протон-протонный, т.е. частицы в пучках одинаковые, в т.ч. заряд, то создаваемые магнитные поля должны друг друга нейтрализовывать.
                                                                Что-то вроде гигантской бифилярной катушки
                                                                  0
                                                                  Да, что то я тоже затупил. Тогда приличный ток течет только в SPS, но он ограничен возможностью линейного ускорителя подавать протоны или ядра свинца. А уже SPS выпускает (постепенно) свои 2808 банчей в главное кольцо.
                                                  0
                                                  «на нём не было обнаружено никаких новых частиц»

                                                  Перекреститесь. Автор хоть что-то об этой истории слышал?
                                                    0
                                                    Конечно автор статьи очень неправильно выразился. Как я уже писал выше:
                                                    Обнаружен не только бозон Хиггса (предсказанная частица, но не обязательная в СМ), но и вполне обычные частицы (дважды очарованный барион с зарядом +2, 2017 год).

                                                    Теперь о том, что предсказывает Стандартная модель. Есть у нас адроны, они делятся на мезоны и барионы.
                                                    Все мезоны (на основе 5 кварков, t-кварк распадается до адронизации) были открыты давно, силами коллайдеров LEP (обработка данных шла как минимум до 2002 года) и Tevatron (данные сеанса Run 2 могли обрабатывать и в 2008 году, и в 2013 — может более детально).
                                                    С барионами все несколько сложнее. Гарантированно найдены только комбинации 3 легких кварков — вплоть до sss, включая огромное число резонансов.
                                                    Из более тяжелых кварков найдены ccu, ccd, bss, bsu и bsd. То есть, скажем не найдено ccs или bc*. Но сталкивание пары протонов с энергией в сумме свыше 1 ТэВ дает вероятность рождения чего-то.
                                                    0
                                                    Объясните мне, глупому, пожалуйста… вот когда некий объект (или частица) с массой покоя m0 движется с некоторой скоростью, то это означает что у неё есть некоторая кинетическая энергия (Ek=m0*v*v/2), с точки зрения стороннего наблюдателя, и в то же время из-за этого самого движения (с той же самой точки зрения) её внутренние процессы замедляются, согласно теории относительности. Т.е. внутренняя энергия движущегося объекта должна уменьшаться, в зависимости от внешней скорости (для стороннего наблюдателя)… Это тогда что получается? Ускорение любыми способами не передает энергию между объектами, а просто переводит внутреннюю энергию в кинетическую и обратно? Или может быть половина передается, а половина берется будто изнутри, так как формула энергии покоя отличается от кинетической в 2 раза (e=m*c*c)
                                                      0
                                                      1. Нет формулы T = mc^2/2.
                                                      Про приближение СТО к нерелятивистской механике
                                                      Можете глянуть здесь.

                                                      2. Внутренние процессы замедляются, но скажем «мощность распада элементарной частицы» (отношение энергии «gamma*mc^2» к времени жизни «gamma*tau») не меняется.

                                                      Да, это все относится к СТО. Так как процесс движения изначальных протонов в принципе не описывается механикой ИСО, то и использовать СТО нужно аккуратно.
                                                        0
                                                        1. да я такую формулу и не писал)
                                                        мне просто не понятно — столкновение это реальный обмен энергией или это некое превращение (переформатирование) внутренней энергии в кинетическую и обратно
                                                        т.е. допустим есть шарик в гольфе, и я его клюшкой ударяю, получается что я от клюшки отдал энергию этому шарику? или я ударом клюшки переформатировал внутреннюю энергию шарика, которая перешла в кинетическую. вот что я хочу понять
                                                          0
                                                          Если кратко и в контексте БАКа (адронные столкновения с энергией хотя бы 14.25 ГэВ на пару протонов), то идет столкновение кварков, глюонов, W-бозонов (виртуальных и не очень). Для «простого» процесса рождения антипротона теоретическая пороговая энергия идет по реакции
                                                          p + p -> p + p + p + anti-p,
                                                          то есть требует кин. энергии каждого протона (в системе ЦМ) не менее энергии покоя.
                                                          «Внутренняя энергия» протона состоит из энергии покоя кварков (и пар кварк-антикварк) и кин. энергии — кварков, антикварков, глюонов. При этом глюон может превращаться в пару кварк-антикварк, причем это могут быть даже b-кварки, то есть формальная масса частиц в 1 протоне (масса покоя менее 1 ГэВ) была бы свыше 8.37 ГэВ. Или хотя бы пара c-anti-c (кварк легче на 3.4-3.5 ГэВ, чем b-кварк).
                                                          У любой нестабильной частицы масса в принципе не определена, скажем у t-кварка ширина 1.26-1.6 ГэВ. То есть, самая тяжелая частица в любом реальном процессе рождается с дисперсией по энергии выше энергии покоя c-кварка.
                                                          Конечно кинетическая энергия столкновения переходит в т.ч. и в кинетическую продуктов, вылетают всякие барионы (вплоть до содержащих b-кварк или c-кварк). Пример такого детектировали давно на детекторах CDF и D0 (протон-антипротонный коллайдер, энергия последнего этапа работы была 1.96 ТэВ), позже — на детекторе LHCb в ЦЕРНе (сеансы Run 1 с энергией 7, 8 и Run 2 с 13 ТэВ).
                                                          Обработка всяких тонких моментов статистики Run 1 заканчивалась в 14-16 году, полные результаты Run 2 по изучению многих частиц ещё не систематизированы.
                                                          Только самые важные открытия, вроде этого.
                                                            0
                                                            Теперь понял что внутренней энергии недостаточно для трансформации в максимально возможную кинетическую энергию. Хотя из формул казалось что у любого тела её в 2 раза больше чем максимально возможная кинетическая энергия. Осталось, правда, несколько вопросов, касаемо именно БАКа и квантовой модели, но они пока что не существенны, так как моделирую (программно) пока что более простую физику, не далее чем релятивистская. Но Ваши знания поражают! Спасибо!
                                                              0
                                                              Да не очень у меня знания.
                                                              Но не факт, что понятие «потенциальная энергия» вообще можно вводить в квантовой теории поля. Есть энергия поля, которая включает в себя кванты этого поля — «виртуальные» и вполне реальные.
                                                              Например, процесс бета-распада описывается через виртуальный W-бозон. Виртуальный он потому, что существует только 3 частицы, которые могут при распаде создать W-бозон с энергией не ниже пика — Z, H, t-кварк.
                                                              Но при столкновении протонов СТО говорит:
                                                              «Содержащийся в протоне глюон может распасться на 2 тяжелые частицы (кварка), они будут виртуальными. Может слабое взаимодействие (скажем распад тау-лептона) родить W-бозон с очень маленькой энергией (это все в СО распадающейся

                                                              частицы). А потом эти 2 частицы сталкиваются и в СО центра масс скажем суммарная кин. энергия превышает энергию покоя W-бозона».
                                                                0
                                                                Я кстати когда то не так давно приводил вам пример как в СТО энергия одних и тех же объектов принимает разные значения в разных СО.
                                                                Допустим от вас в противоположных(либо встречных, не важно) направлениях удаляются два объекта с одинаковой массой на скорости, которая соответствует y=2(так чисто для удобства и представления) — 259627884,49 м/c, а полная энергия этих 2 объектов в вашей системе отсчета равна E=m*2*y= 4mc^2.
                                                                Теперь найдем скорость и энергию этих объектов в их собственных СО, сперва используя релятивистский закон сложения скоростей v1+v2/(1+v1*v2/c^2), так как v1=v2=259627884,49 то V'=2V/(1+v^2/c^2)=296717582,3 или y'=7, а полная энергия соответственно равна E'=m*(1+y')=8mc^2, что в y раз больше(гамма без штриха) нежели в наше СО.
                                                                А теперь представим, что летят друг на друга электрон и позитрон с полной энергий E=Eplank^(1/2) и конечно же E'=Eplank в собственной системе центра масс электрона и позитрона, то выходит не понятная ситуация, в СО экспериментатора этой энергии явно не достаточно, что бы образовался планкион(планковская ЧД), а вот в системе ЦМ электрон/позитрон этого достаточно, так что же получится на самом деле?
                                                                  0
                                                                  Система ЦМ — это такая, в которой суммарный импульс 0. Это может быть импульс системы «протон + ..», «электрон + позитрон» и т.д. После столкновения импульс тоже должен оставаться 0, либо же мы не заметили, что что-то улетело (назовем «аксиальный бозон Хригса»).
                                                                  Образование прямо таки ЧД сложно представить, но предположу такой процесс.
                                                                  Пускай были электрон и позитрон, их разогнали до энергии EPlanck/2. С большим трудом их смогли свести на расстояние, равное удвоенному радиусу действия слабого вз-ия. Каждый из лептонов выпустил по W-бозону соответствующего ему заряду. Их столкновение вероятно не создаст ЧД, но будет локальный бабах. Результат этого «бабаха» должен все равно сохранять нулевой импульс в системе ЦМ.
                                                                0
                                                                Вы просто неправильную формулу смотрели.

                                                                Классическая школьная формула 0.5m*v2 применима только для классической же (ньютоновской) механики.
                                                                При скоростях сравнимых со скоростью света она становится неверной (как и вся классическая механика в целом).

                                                                Нужно использовать соответствующий релятивисткие формулы, в частности ru.wikipedia.org/wiki/Кинетическая_энергия#Кинетическая_энергия_в_релятивистской_механике

                                                                Никаких теоретических ограничений на максимальную кинетическую энергию нет, чем ближе скорость тела приближается к скорости света, тем быстрее растет энергия. Предел — энергия стремится к бесконечности при скорости стремящейся к скорости света.

                                                                С практической некоторые ограничения есть, но очень большие — кинетическая энергия может быть как минимум в триллионы раз больше энергии (массы) покоя.
                                                                  0
                                                                  Практические ограничения — давно превышено gamma = 1000 для протонов/антипротонов, для электронов — где-то 200 тысяч было (по 100 ГэВ). Это про коллайдеры речь.
                                                                  В космических лучах протоны, электроны и позитроны детектируются огромных энергий.
                                                                  Другой пример — пульсар может излучать фотоны с энергией порядка 1 ТэВ. Или скажем позитроны с пиком по энергии около 900 ГэВ. 3 детектора точно фиксировали электроны и/или позитроны с энергией в диапазоне 1-2 ТэВ. Данные другого детектора за осень 17 года говорят о регистрации как минимум 6 событий «эл. + позитронов» с энергией 2 ТэВ и выше.
                                                                  0
                                                                  дел — дубль
                                                          0
                                                          Немного про будущее БАКа, взято здесь.
                                                          Для понимания, мой вопрос.
                                                          Всякие триггеры детекторов придется сильно переделывать для работы с потоком данных HL-LHC. Но как вообще можно модернизировать детектор такой массы и размера?

                                                          Ответ автора статьи:
                                                          Безусловно, придется менять существенную часть электроники, кабелей, и т.д., включая и триггеры. Вот это нам кажется, что у них там столько времени, пауза на два года. А у них там все расписано по дням, несколько групп параллельно работают над разными узлами детекторов. Посмотрите по соцсетям детекторных коллабораций, они выкладывают видики и тексты.
                                                            0
                                                            Если все действительно упирается в хранение данных, а детекторы способны регистрировать все эти тысячи столкновений в секунду, то что мешает сделать какую-нибудь быструю грубую экспресс-распознавалку всех уже известных вариантов распада, и сохранять лишь то, что выходит за рамки этого первичного фильтра?
                                                            Сдается мне, все далеко не так прямолинейно, как описано в статье.
                                                              0
                                                              Детектор не фиксирует «вариант распада частицы». Он фиксирует скажем пару мюон-антимюон, но это фиксируют совсем разные пиксели. Потом определяют, что инвариантная масса этой пары частиц была 9249±0.26 МэВ. Вердикт — это был ботомоний в основном состоянии (1S).
                                                              Пример отбора событий можете глянуть здесь, раздел 3:
                                                              arxiv.org/pdf/1808.08238.pdf
                                                              Или вот там нашел ссылку — статья про сам тригггер:
                                                              arxiv.org/pdf/1611.09661.pdf
                                                              FPAG юзают, кажется в Run 1 были ASIC.

                                                              Вот ещё пример — описание детектора LHCb:
                                                              Однако благодаря мюонам (синие линии) можно узнать, что в этом событии произошло что-то интересное, и дать сигнал для его записи.

                                                            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.