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:
- 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.
- 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!
