Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Кэрролл Шон

В этой связи, естественно, возникает еще одна проблема: как выяснить, является ли событие «интересным», и сделать это очень быстро, так, чтобы успеть решить, стоит ли его оставить или выбросить. Это работа триггера – одного из самых важных элементов детектора БАКа.

Триггер представляет собой сочетание аппаратных и программных решений. Триггер первого уровня выводит все данные со всех элементов детектора в электронный буфер и выполняет сверхбыстрое сканирование (примерно за микросекунду), чтобы решить, произошло ли что-то потенциально интересное в данном событии. Около десяти тысяч случаев из миллиарда получают добро на то, чтобы двигаться дальше. Триггер второго уровня во многом похож на врача скорой помощи, который проводит предварительную быструю диагностику, после чего отправляет пациента сдавать определенные

анализы. Этот триггер представляет собой сложную программу, более точно исследующую характеристики события, чтобы можно было сосредоточиться на тех событиях, которые ею отмечены как требующие внимательного анализа. В конечном итоге остаются только несколько сотен из миллиона событий, ежесекундно происходящих на БАКе, но это наиболее интересные события.

Как вы можете догадаться, над вопросом о том, какие события нужно сохранить, а какие отбросить, ученые напряженно думают, и вокруг этого происходит много яростных споров. Естественно, все беспокоятся, не выбрасываются ли какие-то интересные события вместе с якобы бесполезными. Поэтому по мере улучшения экспериментальной техники и рождения новых теоретических идей физики в коллаборациях CMS и ATLAS постоянно совершенствуют свои триггеры.

Распределение данных

Даже после пропускания полученных данных через триггер все еще остается сто событий в секунду, каждое из которых занимает примерно мегабайт. Теперь это событие мы должны проанализировать. И под местоимением «мы» я подразумеваю тысячи членов коллабораций ATLAS и CMS (в которые я на самом деле не вхожу), работающих в разных учреждениях по всему миру. Физикам, анализирующим данные, нужно иметь доступ к ним, и тут встает проблема передачи информации. К счастью, она, эта проблема, возникла уже много лет назад, и физики и программисты упорно потрудились над тем, чтобы построить всемирную компьютерную сеть БАКа – GRID (ГРИД), которая соединяет вычислительные центры в 35 разных странах и использует комбинацию открытого Интернета и частных оптических кабелей. В 2003 году был установлен рекорд скорости передачи данных: больше терабайта информации удалось передать из ЦЕРНа в Калтех (США), то есть на расстояние более 8000 километров, за 30 минут. Это равносильно тому, что вы загрузите полнометражный художественный фильм за семь секунд.

Такая сумасшедшая скорость действительно необходима: в 2010 году четыре основных детектора на БАКе получили более 13 петабайт данных. ГРИД-система берет все эти данные и распределяет их между различными вычислительными центрами по всему миру. Она разделена на несколько уровней. Сам ЦЕРН является Уровнем 0. Есть одиннадцать центров Уровня 1, которые играют важную роль в просеивании и классификации данных, а также 140 центров Уровня 2, на которых выполняются конкретные задачи анализа. Таким образом, каждому физику в мире, желающему проанализировать данные с БАКа, совсем не нужно подключаться непосредственно к ЦЕРНу, рискуя обрушить Интернет навсегда.

Как известно, голь на выдумки хитра. Нас не должно удивлять, что уникальные проблемы хранения и передачи данных, поставленные физикой элементарных частиц, привели к не менее уникальным решениям. Одно из таких решений, найденное много лет назад, изменило стиль всей нашей жизни. Это – Всемирная паутина (World Wide Web), возникшая сначала в виде глобального гипертекстового проекта Тима Бернерса-Ли. Бернерс-Ли сформулировал свою идею в 1989 году. В то время он работал в ЦЕРНе, а сегодня Бернерс-Ли – директор консорциума World Wide Web. Итак, он подумал, что для физиков ЦЕРНа было бы полезно организовать доступ к различным видам информации, хранящейся на компьютерах, разбросанных по всему миру, и сделать это, используя систему гипертекстовых документов, связанных между собой с помощью гиперссылок. Таким образом, WWW – это система взаимосвязанных файлов, построенная на основе сети, позволяющей совместное использование данных. Сегодня мы называем ее Интернетом. Всемирная паутина, такая, какой мы ее знаем, и влияние, которое она оказывает на нашу жизнь, – несомненно, побочный продукт развития фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц. Так что поблагодарим ЦЕРН за Интернет.

Фабиола Джанотти, итальянский физик, нынешний руководитель коллаборации ATLAS, сказала мне, что

при первом включении БАКа самым приятным сюрпризом для нее стала даже не демонстрация работы ее детектора, хотя это было довольно впечатляюще, а то, что система передачи данных с самого начала функционировала безупречно. Правда, этот процесс не всегда шел уж совсем без сбоев. В сентябре 2008 года, вскоре после того, как первые частицы полетели по БАКу, компьютерная система детектора CMS была взломана группой, называвшей себя «Греческая команда безопасности». К счастью, хакеры не нанесли никакого реального ущерба. Они утверждали, что на самом деле действуют в интересах общества, а потому заменили страницу сайта детектора страничкой с издевательской надписью на греческом: «Мы снимаем с вас штаны сейчас, потому что не хотим видеть, как вы будете бегать голыми и пытаться спрятаться позже, когда начнется паника». Порядок был быстро восстановлен, инцидент не привел к задержке эксперимента, хотя, возможно, именно он заставил внимательно пересмотреть подход к системе интернет-безопасности во всем ЦЕРНе.

Сейчас сам БАК работает без сбоев, детекторы CMS и ATLAS функционируют на максимуме своих возможностей, данные быстро распределяются и анализируются в разных точках мира, все компоненты находятся в готовности для полномасштабной атаки на важные проблемы физики элементарных частиц. Одну новую частицу поймали, но на этом наши поиски не останавливаются.

Глава 7

Частицы и волны

Мы предпологаем, что все во Вселенной построено из полей – силовых полей, которые притягивают и отталкивают, и полей вещества, из колебаний которых образуются частицы.

Хип-хоп-дуэт Insane Clown Posse, известный своими провокативными текстами и страшным клоунским гримом, в 2010 году выпустил скандальный сингл «Чудеса». К тому времени Вайолент Джи и Шэгги-2 Доуп (сценические псевдонимы музыкантов) уже привыкли к скандалам. В частности, однажды они ввязались в распрю с известным рэпером Эминемом, позже неудачно поработали в качестве профессиональных борцов, а на одном из концертов совершенно шокировали почтенную публику и лишь потом обнаружили, что выступали совсем не там, где думали. Insane Clown Posse поют о некрофилии и каннибализме, в одной песне позволили себе обидеть Санта-Клауса, а как-то после представления Вайолента Джи даже арестовали – он 30 раз ударил одного из зрителей микрофоном.

Но скандальные «Чудеса» – это нечто иное. На сей раз ребята своими песнями хотели не шокировать, а обратить внимание своих поклонников на красоту окружающего нас мира. Это звучало примерно так:

Остановитесь и посмотрите вокруг, Как все это поразительно: Вода, огонь, воздух и грязь Чертовы магниты, Как же они работают?

В Интернете этот небольшой отрывок приобрел довольно широкую известность, особенно среди блогеров, имеющих отношение к науке, – они-то были уверены, что, напротив, имеют довольно хорошее представление о том, как работают магниты.

Я хотел бы сказать несколько слов в защиту Insane Clown Posse. Да, мы уже довольно давно узнали, что такое магнетизм, и занялись его изучением, а обычно в результате научных исследований наше понимание природных явлений углубляется, и все меньше места остается для магии и чудес. Однако музыканты нащупали чувствительную точку, и мы действительно упустили нечто очень важное и не заметили, что магниты – на самом деле довольно странная штука.

В магнитах удивительно не то, что они притягивают металл – множество предметов прилипает ко многим другим предметам, например гекконы и жевательная резинка – к стенке. Удивляет в магните то, что когда вы подносите его близко к куску металла, то можете почувствовать это притяжение еще до того, как они соприкоснутся. Магниты не похожи на скотч или клей, которые, чтобы прилипнуть к чему-то, должны находиться в контакте с этим чем-то. Магниты словно чувствуют присутствие предметов, удаленных от них в пространстве, и тянут их к себе. Подумайте – все это довольно странно.