Как работает Большой адронный коллайдер, часть 2: белорусский след и ключи от ускорителя

Первую часть специального репортажа из Женевы читайте здесь.

Белорусский след в детекторах на Большом адронном коллайдере

Большой адронный коллайдер — проект интернациональный. К его созданию и работе приложили руки люди из 100 стран — половины всей планеты. Мы были приятно удивлены, что в комплектовании этой армии приняли участие белорусы.

— Да, участие белорусов в создании коллайдера заметно, — подтверждает Николай Зимин. — С научной стороны большой вклад сделали и делают ученые Национального научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий БГУ во главе с Николаем Шумейко — они работают здесь уже около 20 лет. Материальный вклад был сделан при участии белорусских предприятий — Минского тракторного и станкостроительного заводов.

Так, на заводе «МЗОР» в Минске, бывшем флагмане советской высокоточной индустрии, с прецизионной точностью были изготовлены латунные поглотители торцевых адронных калориметров детектора CMS. К слову, их создание было бы невозможно без… переплавки артиллерийских снарядов Северного морского флота на «Красном Выборжце» в Санкт-Петербурге, где нужное количество специального сплава из латуни и кобальта было «вынуто» из миллионов гильз.

— На этом же заводе были механически обработаны торцы балок, соединяющие 25-метровые сверхпроводящие магниты детектора в одно целое, — рассказывает ученый. — Предприятие, тогда пустующее, выполнило работу безукоризненно, без единого нарекания. Люди отнеслись к задаче очень ответственно и все сделали в срок. Единственная трудность возникла на уровне Министерства финансов: оно не проплатило вовремя деньги за продукцию и завод не отдавал детали, была угроза остановки работ на монтаже ATLAS. Впрочем, все обошлось.

Мы как раз подходим к зданию, где расположен центр управления одним из двух основных детекторов коллайдера. Детектор находится аккурат над самой установкой и изображен во всю высоту стены. К слову, в уменьшенном виде — он слишком велик для 6-этажного здания.

Заходим внутрь. Здесь стоит сделать ремарку о том, что весь ЦЕРН построен по принципу открытого пространства — как для работников, так и для посетителей. Там, где это может быть интересно, сделаны смотровые площадки для наблюдения за работой сотрудников. Все это ради популяризации науки и привлечения молодых специалистов.

Так и в ATLAS: прямо на входе перед нами предстает центр, расположенный за большим стеклом, — буквально в прямом эфире мы вместе с сотрудниками видим работу этого гигантского детектора и наблюдаем за последствиями столкновений частиц. Здесь же на втором этаже зал, где можно посмотреть документальный фильм о монтаже детектора и сложностях, сопутствующих этому.

— Один раз мы были на грани провала, — признается Николай Зимин. — Во время монтажа в 100-метровую шахту из-за допущенной оплошности упала 20-килограммовая прокладка из-под домкрата. К счастью, она попала не на оборудование, а на строительные леса. Только представьте, какие могли быть последствия.

Рядом с центром ATLAS расположено то самое здание, символ ЦЕРНа — деревянное шарообразное сооружение. Оно предназначено для посетителей: внутри каждые 15 минут демонстрируется фильм на французском или английском языках о зарождении Вселенной. «Вообще, это одна из художественных версий, как оно могло бы быть, — улыбается Николай Зимин. — Мы же еще не выяснили всего!»

Пока мы ждем сеанса, на большом экране можно наблюдать за работой коллайдера онлайн. В анимационном виде представлено, как сталкиваются частицы и рождают «события». Красиво. Здесь же можно увидеть работающую искровую камеру, на которой в «прямом эфире» отображаются космические лучи, прошивающие планету в каждую секунду времени — один за одним.

«Ключи от танка»

Мы, можно сказать, в святая святых — самом первом линейном ускорителе Linac 2. Он необходим как первый этап разгона протонов, которые затем последовательно попадают в ряд кольцевых ускорителей, а потом уже в Большой адронный коллайдер. Здесь же, собственно, и получают протоны — из водорода, который с помощью электрического поля расщепляют на составные частицы — протоны и электроны.

Клетка Фарадея, где это происходит, расположена здесь же. Около нее висит точная копия баллона, из которого получают протоны. По словам нашей спутницы, сотрудницы ЦЕРНа Марины Савино, такого баллона хватит для ускорителя на миллионы лет — за один год используется микроскопическая часть водорода.

Эта часть ЦЕРНа является самой старой, построенной более полувека назад, поэтому и антураж соответствующий. Сейчас все реконструируется, однако неизменным остается сам ускоритель. Вообще центр построен достаточно экономно: по мере развития науки и потребностей ученых, кольца, детекторы и ускорители достраивались, наращивали свои мощности, но оставались в использовании — в цепочке.

Самое интересное нас ждет у входа в помещение Linac: это 8 оранжевых ключей, которые мы тут же окрестили «ключами от танка». Они являются системой защиты для сотрудников центра и, если Linac в рабочем режиме, находятся в скважинах. Представляете — один поворот, и весь эксперимент останавливается…

Нам показывают еще один ускоритель LEIR, для ускорения ионов свинца. Они нужны для эксперимента ALICE. Как уже говорилось выше, на Большом адронном коллайдере есть два основных эксперимента — ATLAS и CMS, предназначенных для поиска всех частиц, включая бозон Хиггса. Кроме того, есть два специальных эксперимента. Эксперимент ALICE специализируется на регистрации столкновений ионов свинца — они запускаются в кольцо по отдельной программе во время остановки главного эксперимента. Как раз здесь ищется «кварк-глюонный суп», состояние вещества, при котором кварки существовали отдельно, не заключенные в протоны в первые миллисекунды после зарождения Вселенной.

 

Белорусские студенты в поисках бозона Хиггса

Еще приятней нам было узнать, что в ЦЕРНе трудятся белорусские студенты. Например, Антон Корнеев, с которым мы познакомились в ходе экскурсии, приехал сюда из Могилева по специальной программе французского посольства и участвует в эксперименте CMS. Он же показывает нам комнату с рабочими местами ученых и все теми же «онлайн-репортажами» о работе Большого адронного коллайдера.

Антон Корнеев

 

По нашей просьбе Антон расшифровывает некоторые графики. Так, на одном из них хорошо видно, что в данный момент где-то под нами летят пучки протонов с энергией 3,5 ТэВ и сталкиваются. Студент поясняет, что подобный мониторинг необходим для слежения за состоянием коллайдера и «рабочего материала»:

— Всегда существует вероятность, что пучок начнет вести себя нестабильно, это грозит разрушением магнитов и выводом из строя всей установки. В таких случаях пучки отбраковываются и сбрасываются в специальные камеры.

Тут стоит пояснить, что в свое время перед инженерами-конструкторами коллайдера встала нетривиальная задача гашения энергии пучков. Только представьте — каждый из них «заряжен» так же, как 400-тонный железнодорожный состав, несущийся на скорости 150 км/ч! И если состав — это что-то большое и осязаемое, то пучок, как мы помним, по объему схож с человеческим волосом.

— Здесь под землей есть отдельные камеры для сброса пучков — резервуары с водой и бетонными заглушками. Энергии несущихся протонов должно хватить, чтобы вскипятить какой-то объем воды в мгновение ока, — уточняет Антон Корнеев.

Студент рассказывает, что за авария случилась сразу после пуска Большого адронного коллайдера, приведшая к остановке и длительному ремонту. В момент подъема напряжения в магнитах один из них вышел из сверхпроводящего состояния, гелий испарился и произошел взрыв, разрушивший часть установки.

Напряжение будет наращиваться и дальше — пока что коллайдер работает в половину своей мощности, и рост энергопотребления коррелирует с ростом мощности магнитного поля, придающего траекторию протонам.

Также в коллайдере предусмотрена возможность сброса некоторых других продуктов столкновений, например нейтрино. Они улетают в сторону подземной итальянской лаборатории и, как выяснилось совсем недавно, могут изменить все представления ученых о мироустройстве: часть из них достигла соседней страны быстрее скорости света. Впрочем, это еще предстоит доказать в ходе отдельных экспериментов.

Данные с коллайдера архивируются на магнитных лентах

Мы переходим в одно из самых любопытных мест ЦЕРНа — центр обработки данных и сердце системы ГРИД. Построен он был достаточно давно и предназначался для компьютеров старших поколений. Технологии существенно продвинулись, здесь уже давно все заменено на современные серверные стойки, однако — факт! — данные, получаемые в ходе экспериментов на коллайдере, продолжают архивироваться на магнитных лентах, так как они — самый дешевый и долговечный носитель.

— Не только WEB родился в ЦЕРНе, но ЦЕРН и приложил усилия к созданию ГРИД-системы, — рассказывает нам сотрудница дата-центра Юлия Андреева. — Ее концепцию подсказала сама жизнь: то количество данных, что получается в ходе экспериментов, невозможно обработать нашим компьютерным центром.

Чтобы справиться с потоком информации Большого адронного коллайдера, требуются гораздо большие вычислительные мощности. Поскольку в экспериментах участвуют десятки институтов и каждый из них обладает своими компьютерными ресурсами, вместо существенного расширения центра здесь, в Женеве, было принято решение использовать уже существующие мощности, расположенные в разных уголках земного шара, объединив их в своеобразный виртуальный суперкомпьютер.

— Такое решение было правильным и с социально-политической, и с финансовой точек зрения, — продолжает Юлия Андреева. — Все участники экспериментов Большого адронного коллайдера заинтересованы вкладывать деньги в развитие компьютерной инфраструктуры в своих странах.

Будучи пользователем ГРИДа и запуская задачу в Женеве, Москве или Мумбаи, вы не знаете, где она будет обработана: данные по сетям передачи уйдут туда, где есть свободные в настоящий момент мощности, и результат вернется на ваш локальный компьютер.

ГРИД-система Большого адронного коллайдера имеет иерархическую структуру: ее центр, так называемый нулевой уровень, расположен здесь же. Хранятся в нем «сырые» необработанные данные, снятые с детекторов. Их копии получают суперкомпьютеры первого уровня. Вычислительные мощности второго уровня позволяют решать до 50% всех задач — такие центры есть, например, в Московской области, Петербурге. Главным препятствием для создания в Беларуси аналогичного центра является дороговизна интернета с высокой пропускной способностью.

В холле вычислительного центра ЦЕРНа на большом экране можно увидеть, как в данный момент времени происходит работа всей ГРИД-системы Большого адронного коллайдера.

Например, в ходе нашего посещения одновременно по всему миру решалось более 168 тысяч задач, а общая скорость передачи данных составляла 5 гигабайт в секунду. Зеленые точки на карте — компьютерные центры, их величина определяется количеством одновременно обрабатываемых задач. Красный цвет указывает на то, что часть задач отрешалась с ошибкой.

Система ГРИД, объединяющая компьютерные мощности европейских государств, используется не только для обработки данных с коллайдера, но и в других целях. Здесь были сделаны вычисления для создания вакцины против птичьего гриппа, проводятся работы для других научных дисциплин, например астрофизики.

Под крышей компьютерного центра расположено 6900 компьютеров с 41 тысячью ядер, устройства для хранения данных мощностью 14 петабайт на дисках и 48 петабайт — на лентах. Как и в любом крупном вычислительном центре, который строился в расчете на один большой компьютер и в котором сейчас располагаются тысячи процессоров, проблема охлаждения здесь является ключевой. Это препятствует наращиванию вычислительных мощностей. В данный момент рассматриваются проекты реорганизации компьютерного центра.

 

Ученые Белгосуниверситета — коллайдеру!

Мы встречаемся с Романом Зуевским и Этинеттой Офрей в Crystal Lab — лаборатории, занятой изучением свойств кристаллов вольфрамата свинца. Их в количестве 80 тысяч штук общим весом 90 тонн установили в калориметр детектора CMS для того, чтобы с высокой точностью измерять энергию полученных в ходе столкновений частиц. Разработаны они были в Институте ядерных проблем (НИИ ЯП) при БГУ группой под руководством Михаила Коржика.

Как и во всем, что касалось создания Большого адронного коллайдера, задача оказалась нетривиальной. Основная проблема заключалась в том, что кристаллы должны были обладать идеальными свойствами, эталонного качества, без малейшего отклонения от заданных параметров. Измерить их и подтвердить помогла разработка белорусских ученых из НИИ ЯП.

Роман Зуевский и Этинетта Офрей

— Главной проблемой стал объем работы, — признается Этинетта. — Нам необходимо было проверить 7 параметров для каждого кристалла, что возможно вручную в лаборатории, но невозможно без автоматической измерительной машины и алгоритмов быстрого анализа, созданных при помощи белорусов.

Любопытно, что кристаллы могут стать ключевой деталью детектора CMS, которая теоретически сможет позволить найти неуловимый бозон Хиггса. Именно их свойства помогут отсечь «мусорные» частицы, не несущие особой информативности, от тех, что остались после распада бозона.

Каждый из 80 тысяч кристаллов был проверен и внесен в базу данных. Поначалу установка позволяла проверять всего 50 штук в день, а на полной мощности уже порядка 1000.

В комнате, где установлена контрольная машина и измерительное оборудование, разработанное в НИИ ЯП, создаются особые условия, например температура воздуха. Но главное — в помещении должна быть абсолютная темнота, ни единого источника света. Это необходимо для точного измерения светопропускания кристаллов при возбуждении. Нам предложили на собственном опыте оценить, что это такое, когда в комнате нет ни одного луча света.

— В дни, когда мы готовили комнату к началу работы установки, нам приходилось сидеть здесь часами, — говорит Роман Зуевский. — Человеческий глаз устроен так, что может уловить мельчайший источник света, это самый точный природный прибор. После каждого «сеанса» закрывали щели и устраняли свечение приборов.

Стоит отметить, что ощутить полнейшую темноту нам не удалось — наручные часы отдавали накопленный за день свет.

Выше только Природа

Эпитет «уникальный» для Большого адронного коллайдера слишком незначителен, чтобы оценить масштаб человеческого гения, создавшего установку. Сотни эксклюзивных разработок, коллективные усилия тысяч лучших умов со всего мира, миллионы человеко-часов конструирования, изготовления, монтажа, пробных пусков — все это ради того, чтобы понять, как устроена Вселенная.

Разумеется, это не могло не сказаться на особенностях коллайдера. Он установил ряд рекордов, повторить которые человечеству, возможно, удастся еще не скоро. Шутка ли — вакуум в ускорителе «чище», чем в Солнечной системе!

В общем, единственный «соперник» в борьбе за эксперименты — сама Природа. Ведь если в коллайдере пучки протонов летят со скоростью 99,9999991% от световой, то это все-таки не 100%.

Onliner.by благодарит белорусское представительство Samsung
за помощь в подготовке репортажа

Фото: Максим Малиновский, камера Samsung NX11