Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Передовой фронт европейской физики

Архив
автор : Сергей Петрушанко   21.05.2001

Cтатья о международном проекте строительства нового ускорителя в Европейском центре ядерных исследований и о системе обработки данных Data GRID, небольшая заметка об эксперименте по прямому наблюдению тау-нейтрино и статья о том, как родилась, развивалась и какие имеет перспективы идея о существовании, получении и возможном применении антиматерии.

В предыдущем номере мы рассказали о базовых представлениях современной физики ядра и элементарных частиц, а также опубликовали беседу с членом-корреспондентом РАН Ю. Ц. Оганесяном, руководителем эксперимента по синтезу ядер сверхтяжелых химических элементов, который проводится в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института в Дубне. Когда номер был отправлен в типографию, из Дубны пришла весть: нашим учеными удалось синтезировать еще два атома 116-го элемента, - факт, который, надеемся, окончательно убедит мировую научную общественность в существовании стабильных ядер трансурановых элементов…

Сегодня мы предлагаем вашему вниманию материалы об исследованиях, ведущихся в зарубежных научных центрах, где трудится немало российских ученых. Итак, перед вами статья о международном проекте строительства нового ускорителя в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) и о системе обработки данных Data GRID, небольшая заметка об эксперименте по прямому наблюдению тау-нейтрино и статья о том, как родилась, развивалась и какие имеет перспективы идея о существовании, получении и возможном применении антиматерии.

В заключение напомню, что в оформлении темы номера использованы фотоснимки и графика, сделанные в Национальной лаборатории Ферми (США) и ЦЕРНе.

Вадим Иванченко

Вскоре после Второй мировой войны в воздухе Европы начали витать идеи объединения, одним из результатов которого стало стремление европейских ученых претворить в жизнь различные совместные проекты. В 1949 году на Европейской культурной конференции в Лозанне французский физик и нобелевский лауреат Луи де Бройль призвал ученых и политиков к созданию единого научного центра-лаборатории для физиков всей Европы.

За эту идею тут же ухватилось ЮНЕСКО, и после нескольких конференций в 1952 году одиннадцать стран подписали договор о создании Conseil Europйen pour la Recherche Nuclйaire (CERN), что в переводе с французского значит Европейский центр ядерных исследований. На совещании Совета ЦЕРНа местом дислокации новой европейской лаборатории было выбрано самое сердце Европы - на границе Швейцарии и Франции: живописная долина Женевского озера, с одной стороны которой высятся Юрийские горы, а с другой - предгорья величественных Альп.

В 1954 году началось строительство первого ускорителя: протонного синхроциклотрона, который заработал в 1957 году. Среди первых же результатов - обнаружение давно предсказываемого теоретиками распада отрицательного пиона на электрон и нейтрино. В 1959 году ученые запустили еще более серьезную машину - протонный синхротрон (PS), ставший на несколько лет самым мощным ускорителем в мире: он разгонял протоны до энергий 28 ГэВ. В 1967 году был построен первый в мире коллайдер - ускоритель, в котором осуществляются столкновения встречных пучков частиц. В 1976 году заработал суперпротонный синхротрон (SpS), который в 1981 году был приспособлен для протон-антипротонных столкновений. В 1983 году на SpS открыли W- и Z-бозоны - переносчики слабого взаимодействия. Важность открытия была столь высока, что на следующий год физики, обнаружившие эти частицы, получили Нобелевскую премию.

Ускоритель LEP

В начале 1980-х годов был предложен проект ускорителя, осуществляющего столкновения электронов и их антиподов - позитронов, - большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Осенью 1983 года началось строительство LEP. В долине Женевского озера на глубине ста метров был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров. Качество подземных работ было столь высоким, что, когда в 1988 году два конца туннеля соединились, расхождение между нами составило всего один сантиметр. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Ускоритель неоднократно перестраивался для достижения все больших энергий частиц. То, как физики и инженеры пытались добиться повышения энергии столкновения, - отдельная и большая история. Не останавливаясь на ней, приведем лишь такой факт: ученые установили зависимость энергии разгоняемых частиц от положения Луны по отношению к Земле, от уровня воды в Женевском озере, от прибытия поездов на железнодорожный вокзал Женевы и от многих других, казалось бы, незначительных факторов. Причина их влияния - небольшие деформации кольца ускорителя, ухудшающие фокусировку пучков. Ювелирный учет таких тонкостей помог довести энергию столкновения до 210 ГэВ.

LEP за одиннадцать лет работы подарил физикам много интересных результатов, самые важные из которых - всестороннее изучение W- и Z-бозонов. Современные представления о природе этого типа взаимодействия сложились именно под влиянием результатов работы ускорителя LEP. Эксперименты на LEP позволили показать, что на самом деле слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия - электрослабого. А отсюда уже и один шаг до теории Великого Объединения, над которой ломают головы физики.

Large Hadronic Collider

В начале 1990-х, когда на новеньком ускорителе LEP еще не успела высохнуть краска, ученые в ЦЕРНе уже начинали задумываться над тем, что бы такое построить следом за ним. Изменение политической картины мира принесло с собою нелегкие времена для физиков-ядерщиков: пост-СССР и США перестали выделять деньги на большие проекты, да и европейским физикам пришлось потуже затянуть пояса… В декабре 1991 году Совет ЦЕРНа одобрил проект ускорителя нового поколения - большого адронного коллайдера (LHC). Для него был не нужен новый подземный туннель - вполне годился и старый, тот что был вырыт для LEP. Ускорители-«старички» PS и SpS также не останутся без работы - они будут придавать частицам первоначальную энергию.

В ноябре 2000 года начался демонтаж ускорителя LEP и строительство LHC. В 27-километровом туннеле возводится новое кольцо труб, в котором с помощью особым образом расположенных сверхпроводящих магнитов, поле которых составит более 8 тесла, будут одновременно разгоняться два пучка протонов. В точках пересечения пучков планируется построить четыре экспериментальные установки: ATLAS, CMS, ALICE и LHC-B (см. рис. 1). Энергия столкновения протонов в системе центра масс составит 14 ТэВ (это в десять раз больше, чем у крупнейшего из ныне действующих ускорителей). Другая важная характеристика - светимость, величина, пропорциональная количеству протон-протонных соударений за единицу времени, будет в сто раз больше достигнутых значений. За одну секунду на экспериментальных установках LHC будет происходить более одного миллиарда соударений! Кроме протонов, на LHC планируется разгонять и тяжелые ядра атомов - например, свинца. Запуск LHC намечается на 2005-06 годы.

Зачем физикам такой мощный ускоритель?

Программа работ на LHC предусматривает:

  • поиск Хиггс-бозона (если его к тому времени еще не найдут) и исследование его характеристик;

  • поиск суперсимметрических частиц;

  • поиск, исследование условий возникновения и свойств кварк-глюонной плазмы;

  • изучение уже известных процессов при энергии LHC (масса top-кварка и каналы его распада, физика B-мезонов и т. д.);

  • наверняка появятся и другие, пока еще неведомые задачи.

Установка CMS и сбор данных

Теперь на примере установки CMS (компактный мюонный соленоид) рассмотрим детекторы ускорителя LHC. Почему именно CMS? Потому что, наряду с ATLAS, она является крупнейшей установкой для решения широкого круга задач. Кроме того, около четверти ученых, работающих сейчас над CMS, в том числе и автор статьи, - граждане России, которая финансирует часть эксперимента и изготавливает для него оборудование.

На рис. 2 представлен общий вид CMS в «разобранном» состоянии. Ее детекторы находятся в магнитном поле величиной 4 тесла, создаваемом сверхпроводящим магнитом. Основными детекторами являются:

  • трекерный (или вершинный), служащий для определения точки, в которой произошло столкновение (так называемой первичной вершины взаимодействия), и для восстановления треков родившихся частиц;

  • электромагнитный калориметр, регистрирующий энергию фотонов и электронов;

  • калориметр, регистрирующий энергию адронов: протонов, нейтронов, пионов и т. п.;

  • камеры, регистрирующие мюоны.

В настоящее время разработка конструкции CMS почти полностью завершена, и начато производство ее компонентов. Они изготавливаются во многих странах: часть заказов размещена на европейских заводах, часть в Японии, Пакистане, Китае и России (интересно, что конструкции для сверхпроводящего магнита будут изготовлены на оборонном заводе «Красный выборжец» из списанных гильз от снарядов).

В CMS пучки будут пересекаться по 40 млн. раз в секунду, при этом за одно пересечение будет происходить примерно 23 протон-протонных соударения. Для хранения откликов всех детекторов от одного события нужно около 1 Мбайт. Понятно, что организовать запись всех событий просто невозможно - ни сейчас, ни через пять лет скорость записи информации не достигнет величины 4•1013 байт/с. Поэтому, прежде чем записывать какие-то события, необходимо провести предварительный отбор, выделив лишь самые интересные из них. Также нужна предварительная реконструкция этих событий - начальная обработка, позволяющая понять, что произошло в конкретном случае, какие частицы родились и куда они полетели. Для этого в установке CMS существуют так называемые триггеры - системы-алгоритмы отбора событий - нескольких уровней.

Триггер первого уровня осуществляется специальной электроникой, реализующей самый простой отбор событий. Будет действовать несколько алгоритмов-сценариев отбора, «заточенных» на определенные типы событий - например, распад Хиггс-бозона на четыре электрона; при этом триггерная электроника первого уровня будет сканировать электромагнитный калориметр в поисках событий с четырьмя откликами в нем, превышающими некое заданное значение. Если такие отклики будут обнаружены, триггер даст сигнал на передачу «подозрительного» события на следующий уровень. Триггер первого уровня уменьшает поток данных в пятьсот раз - до 70 тыс. событий в секунду.

Триггер второго уровня реализуется встроенными в CMS процессорами, проверяющими, что же им передал триггер первого уровня. После простой реконструкции 24 события из 25 отбрасываются, и поток событий уменьшается до 5 тыс. в секунду.

После двух первых триггеров данные на уже приемлемой для передачи скорости 5 Гбайт/с отправляются по оптоволокну на поверхность в компьютерный центр. Здесь на мощных многопроцессорных рабочих станциях происходит окончательных отбор событий с детальной реконструкцией триггером третьего уровня с частотой 100 событий в секунду (скорость - 100 Мбайт/с). Отклики детекторов записываются на магнитную ленту для постоянного хранения.

В результате мы получаем то, что физики называют сырыми данными (raw data). За год работы CMS таких данных будет накапливаться около 1 петабайта! Сырые данные ЦЕРН сможет собирать и хранить на своей территории. Проблема возникает дальше. Необходима точнейшая реконструкция отобранных данных, - лишь в этом случае физики не пропустят ни одного интересного события. Одному ЦЕРНу эта гигантская работа не под силу. И тут на помощь придет Data GRID.

Data GRID

Пару лет назад в ЦЕРНе подсчитали, сколько надо денег на обработку данных, которые будет выдавать LHC, начиная с 2005 года. Подсчитали и слегка испугались: денег на сбор и хранение сырых данных вполне достаточно, а вот на обработку и хранение результатов не хватает более 60%. Выход дирекция ЦЕРНа усмотрела в создании сети распределенных вычислений - Data GRID, основанной на разработках специалистов по распределенным вычислениям Яна Фостера (Ian Foster) и Карла Кесселмана (Kаrl Kesselman), написавших известную книгу «The Grid». «Grid» в переводе с английского значит «сетка», «решетка», то есть иерархическая сеть, позволяющая обрабатывать огромные объемы информации на множестве компьютеров.

В чем суть этой сети? Фанаты распределенных вычислений говорят о GRID не иначе, как о новой ступени развития Интернета. Что есть всемирная паутина сейчас? Сеть компьютеров, в которой пользователи предоставляют друг другу тексты, документы, файлы… GRID - продолжение всемирного объединения - позволит интегрировать компьютерные мощности для решения различных задач. Сверхпопулярная SETI@home - ее дальний бедный родственник. GRID подсоединит миллионы компьютеров из всех регионов Земли к телескопам астрономов, микроскопам биологов, суперкомпьютерам математиков и, наконец, к ускорителям физиков. Как обработать гигантские объемы данных? Где их хранить? Как получить доступ к ним с другого конца земного шара? Как уследить, чтобы данные не попали в чужие руки? GRID позволит решить такие задачи, оптимизировав работу с терабайтами информации. GRID - это новый Интернет, который сможет воздвигнуть блестящую башню, пронзающую небо, на месте той мусорной свалки, коей он является сейчас.

Сложно создать протоколы, которые позволят объединять разнородные ячейки многоуровневой иерархической структуры и осуществлять обмен данными между ними. В настоящее время сообщество GRID активно разрабатывает соответствующее программное обеспечение.

ЦЕРН принял решение подключиться к созданию GRID, использовав ее для обработки информации, получаемой с LHC. Попробуем разобраться подробнее со структурой Data GRID, которую планируют создать европейские ядерщики.

Итак, оригиналы сырых данных будут храниться в ЦЕРНе. Это - уровень 0 (Tier 0) сети Data GRID. Уровнем ниже размещаются региональные центры (Tier 1), связанные высокоскоростными (от 0,6 до 2,5 Гбит/с) линиями передачи данных с ЦЕРНом. Связь может осуществляться посредством специальных линий и спутниковых каналов; а на тот случай, если что-нибудь помешает передаче данных этими способами, рассматривается даже возможность транспортировки жестких носителей информации самолетами. Каждый объект Tier 1 имеет специальный центр по хранению информации. Основная функция Tier 1 - распределение кусочков информации на обработку уровнем ниже. Tier 2 - машины масштаба серверов научных институтов и университетов. Tier 3 - уровень лабораторий. Наконец, Tier 4 - это PC отдельных ученых. Львиная доля информации будет обрабатываться на так называемых FarmPC - фермах, состоящих из большого числа обычных недорогих персональных компьютеров. Результаты обработки сырых данных будут храниться на уровне Tier 1 и при первой же возможности отправляться в центр.

ЦЕРН уже приступил к тестированию прототипа вышеописанной системы, основываясь на данных компьютерного моделирования отклика детекторов установки CMS, полученных с помощью специальных программ. Первые прототипы региональных центров уже создали США, Франция, Италия и Великобритания. В самом ЦЕРНе также будет существовать аналог регионального центра, обрабатывающий 30-40% всех данных. Не отстают и российские физики: создан прототип Московского регионального центра, объединяющий три фермы в НИИ ядерной физики МГУ им. Ломоносова, Институте теоретической и экспериментальной физики, Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. В октябре-декабре 2000 года прошли первые тесты прототипа Data GRID, которые показали, что новая сеть прекрасно подходит для распределенной обработки данных. Прототип Московского регионального центра не уступил зарубежным конкурентам, успешно обработав отведенный ему фрагмент данных. На прошедшем в Москве в конце ноября 2000 года совещании участников эксперимента CMS один из руководителей CMS-овского компьютинга Ян Виллерс (Ian Willers) отметил высокий уровень работы московского прототипа. (Эх, кто бы знал, как тяжело порой приходится по нашим куцым каналам пропихивать в ЦЕРН кучу обработанной информации. К каким только ухищрениям не приходилось прибегать. А о финансировании проекта я вообще молчу.)

Будем надеяться, что новое начинание ЦЕРН в ближайшем же будущем покажет себя во всей красе, а у нашего правительства найдутся деньги на продолжение развития Московского регионального центра Data GRID.

Врезка: Последний элемент Стандартной модели

[i39622]

Последний элемент Стандартной модели

В 20-х годах прошлого века, в период блестящих открытий в области строения материи, ученые всего мира пытались найти объяснение очевидному нарушению закона сохранения энергии при радиоактивном распаде: суммарная энергия частиц и гамма-квантов, образующихся в результате распада, всегда оказывалась несколько меньше энергии частиц, вступающих во взаимодействие.

Самым удачным оказалось предложение швейцарского физика-теоретика Вольфганга Паули, который ввел понятие некоей нейтральной частицы, «ответственной» за «потерянную» часть энергии. Развивая идеи Паули, ученые пришли к выводу, что гипотетическая частица должна обладать нулевой (или, точнее, близкой к нулю) массой и «строить свои взаимоотношения» с другими частицами на основе так называемого слабого взаимодействия. Физики-ядерщики многих стран пытались экспериментально подтвердить существование теоретически вычисленной частицы, которая получила имя нейтрино, однако успехи в этом направлении были достигнуты лишь спустя десятилетия.

Наблюдение нейтрино дело сложное, так как эта частица слабо взаимодействует с веществом. Из-за этого потоки нейтрино достигают Земли быстрее, чем кванты света, приходящие из глубин космоса. Так, например, при образовании сверхновой звезды SN1987А (первая из сверхновых, зарегистрированная современными телескопами) поток нейтрино вырвался из области космического взрыва значительно быстрее света и достиг Земли на восемь часов раньше первых фотонов. Это было установлено в ходе двух независимых экспериментов, проводимых в подземных экспериментальных установках в США и Японии. Удалось зарегистрировать в общей сложности 20 частиц из более чем 1057 нейтрино, которые, по оценке ученых, образовались при коллапсе звезды.

Стандартная модель утверждает, что существует только три типа нейтрино - электронное vе, мюонное vm и тау-нейтрино - vt. Из них последнее самое «неудобное» для наблюдения, потому оно и было экспериментально открыто на тридцать лет позже своих «сестер». Для наблюдения тау-нейтрино в 1997 году усилиями ученых из США, Японии, Кореи и Греции на крупнейшем ускорителе Tevatron в Лаборатории Ферми (США) был начат эксперимент DONUT (сокращение, образованное от Direct Observation of the NU Tau - «прямое наблюдение ню-тау»).

На ускорителе формировался поток высокоэнергетичных нейтронов, которые, сталкиваясь с ядрами вольфрамовой мишени, порождали тау-лептоны. Последние претерпевали распад с образованием тау-нейтрино. Поток нейтрино направлялся на мишень из толстых листов железа, проложенных слоями фотоэмульсии для регистрации следов взаимодействия частиц. При прохождении через вещество мишени лишь одна из миллиарда миллиардов частиц могла вступить во взаимодействие с ядром железа, в результате чего образовывался тау-лептон, распад которого и свидетельствовал о существовании тау-нейтрино характерным следом длиною в один миллиметр в эмульсионном слое детектора.

20 июля прошлого года после шести месяцев непрерывного эксперимента физики-ядерщики смогли уверенно сказать, что тау-нейтрино обнаружено. Анализ треков, который проводился при помощи камер на основе приборов с зарядовой связью и ЭВМ, позволил в конечном счете выявить четыре события, вызванных образованием тау-нейтрино.

По словам участника эксперимента Байрона Лундберга (Byron Lundberg), это была иголка в стоге сена: в общей сложности было зарегистрировано шесть миллионов потенциальных взаимодействий частиц. Проанализировав огромное количество сигналов от различных элементов 15-метрового детектора, ученые отобрали лишь около тысячи событий-претендентов. И только четыре из них были признаны подлинными свидетельствами существования тау-нейтрино.

Получение прямого доказательства существования «ню-тау» отнюдь не означает завершения исследований в области изучения физики нейтрино. Ученым не терпится узнать, обладает ли нейтрино массой, и результат этих исследований может серьезно поколебать стройную структуру Стандартной модели, а также существенно изменить наши представления о зарождении и развитии вселенной, в том числе - решить загадку «темной материи». Соответствующие эксперименты уже идут в Японии, готовятся в Лаборатории Ферми и планируются в ЦЕРНе.

Александр Молодцов [a_molod@hotmail.ru]

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.