Небольшая часть сотрудников коллаборации CMS на фоне полномасштабной фотографии компактного мюонного соленоида (CMS)
На Большом адронном коллайдере обрабатывается как никогда много столкновений протонов: примерно 1 миллиард в секунду. Это очень много. Изначально коллайдер не предполагалось использовать настолько интенсивно. Только в этом году БАК собрал больше данных, чем за все предыдущие годы эксплуатации, вместе взятые.
Главная причина увеличения количества экспериментов — высокая надёжность коллайдера даже с повышением энергии до 13 ТэВ. На БАК почти не было простоев в этом году. Физики сейчас пытаются собрать больше информации о бозоне Хиггса — элементарной частице, которая образуется примерно один раз на миллиард столкновений.
«Каждое столкновение протонов можно сравнить с вращением колеса рулетки, у которой несколько миллиардов возможных исходов», — говорит Джим Олсен (Jim Olsen) профессор физики Принстонского университета, который участвует в проведении экспериментов на компактном мюонном соленоиде (CMS) — одном из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на БАК.
На компактном мюонном соленоиде проходят различные физические эксперименты, в то числе по поиску бозонов Хиггса, дополнительных измерений пространства и времени, а также частиц, которые могут взаимодействовать с тёмной материей или являться её частью. Всего в рамках коллаборации CMS работает около 4300 учёных, инженеров, техников и студентов из 179 лабораторий и университетов 41 стран, в том числе России, Украины и Беларуси.
Компактный мюонный соленоид имеет размер 21,6 метров в длину, 15 метров в диаметре и весит примерно 14 000 тонн.
Как происходит сбор данных с детектора
Большинство столкновений в коллайдере не сопровождается интересными эффектами, поэтому требуется проводить очень большое количество столкновений, чтобы собрать ценные научные данные. После столкновения частицы разлетаются в разные стороны. Часть из них проходит через несколько слоёв CMS, оставляя «следы» (события), которые детектор снимает с частотой 40 МГц. Каждое событие — примерно 1 мегабайт данных. То есть в таком режиме детектор генерирует примерно 40 терабайт в секунду.
Хранить такие объёмы невозможно. К счастью, в детекторе есть встроенная система фильтрации событий, которая отфильтровывает незначимые события. Сначала срабатывают аппаратные триггеры FPGA первого уровня на самом детекторе, которые уменьшают количество событий для фильтрации примерно в 1000 раз. Затем вступают программные триггеры второго уровня — информация с детектора по оптоволокну отправляется на близлежащие серверы, где работает программное обеспечение на C++ для высокоуровневой фильтрации сигнала. После двух уровней фильтрации остаётся примерно 1000 потенциально интересных событий в секунду для научного анализа. Таким образом, для последующего анализа детектор передаёт примерно 1 гигабайт в секунду, то есть относительно немного.
Данные, которые прошли два уровня фильтрации, записываются на ленточные накопители для хранения, а также поступают в высокоскоростную научную сеть LHC Computing Grid, доступную участникам коллаборации CMS по всему миру. В 2012 году в сеть от коллайдера поступало примерно 25 петабайт в год, но сейчас объём вырос.
Эти данные анализируются различными способами. Учёные ищут некие «аномалии» и пытаются подвести под них теоретическую базу. Или наоборот, они ищут события, существование которых предсказано теоретиками. Например, существование бозона Хиггса вытекало из Стандартной модели, а тезис о необходимости существования поля Хиггса для цельности теории был сформулирован в 1960-е годы.
В 2012-2014 годах коллаборация CMS нашла следы частицы с массой 125-126 ГэВ — бозона Хиггса. Это открытие стало возможным благодаря тщательному дата-майнингу информации, собранного с детекторов. Окончательно эти данные были оформлены в 2016 году.
С апреля БАК произвёл примерно 2,4 квдрлн столкновений в рамках экспериментов ATLAS и CMS. Такое беспрецедентное количество объясняется одновременно постепенным увеличением количества столкновений и увеличением аптайма БАК.
Когда учёные только планировали сооружение БАК, они предполагали, что на коллайдере будут реально проводиться научные эксперименты только 30% времени. Всё остальное время инженеры будут заниматься обслуживанием этого инструмента, проверкой системой, заменой жидкостей в криогенной системе охлаждения, наращиванием энергии протонных пучков до энергии столкновения и т.д. На самом деле БАК используется гораздо интенсивнее, чем ожидалось. Сейчас коллайдер находится в рабочем режиме примерно 70% времени. В этом году он работает стабильно и надёжно как часы, почти не было простоев.
Поток данных от БАК идёт как лавина практически без остановки. «Мы принимаем примерно в 10 раз больше данных по сравнению с прошлым годом, — говорит Пол Лэйкок (Paul Laycock), физик из Ливерпульского университета, работающий в коллаборации ATLAS. — Но по итогам Run 2 [второй сеанс работы Большого адронного коллайдера, начался в апреле 2016 года] собрано уже больше данных, чем за всё время Run 1 [первый трёхлетний сеанс работы БАК]. Конечно, самое главное отличие между сеансами работы состоит в том, что сейчас энергия столкновений выросла вдвое.
За первые же несколько месяцев второго сеанса учёным удалось собрать столько же данных о бозоне Хиггса, как за все три года первого сеанса. В двух каналах распада (первые два канала в нижнем списке) хиггсовский сигнал уже виден на уровне статистической значимости 10σ.
Напомним, что анализ данных первого сеанса Run 1 выявил пять каналов распада бозона Хиггса:
- на два фотона (γγ);
- на ZZ-пару с последующим их распадом на четыре лептона;
- на WW-пару;
- на тау-лептонную пару;
- на кварковую пару b-анти-b.
Радость учёных оказалась омрачена небольшими техническими сложностями. Оказалось, что изначальный бюджет БАК не был рассчитан на столь интенсивную научную работу в 2016 году. В частности, жёсткие диски для хранения данных закупались исходя из оценки аптайма 30%, а не 70%. «Поскольку БАК работает лучше, чем даже в самом оптимистичном сценарии, у нас начало заканчиваться дисковое пространство. Нам нужно быстро консолидировать старые симуляции и данные, чтобы освободить место для новых столкновений», — говорит Олсен.
Нехватка HDD — это приятная проблема. Из разряда тех, что деньги не влазят в кошелёк.
Собранные к настоящему моменту данные о 2,4 квдрлн столкновений — это лишь 1% от объёма информации, который планируется снять с детекторов БАК за всё время его работы. Планируется использовать его до 2037 года. Учёные собираются сделать несколько апгрейдов на протяжении этих десятилетий, чтобы увеличить энергию столкновений с нынешних 13 ТэВ.
Никто ещё не знает, что мы увидим при столкновении пучков с большей энергией. «Мы знаем только то, что у нас есть научный инструмент, беспрецедентный в человеческий истории, и если какие-то частицы образуются при столкновениях в БАК, мы их найдём», — сказал Олсен.
