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 10?.
Напомним, что анализ данных первого сеанса Run 1 выявил пять каналов распада бозона Хиггса:
- на два фотона (??);
- 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.
Комментарии (24)
SkyPhantasm
04.10.2016 23:20-4Мой уровень знаний физики — школьный, поэтому никогда не понимал зачем всё это. Сами вопросы на которые БАК должен помочь получить ответы слишком сложные. Вот нашли бозон Хиггса, существование которого было теоретически предсказано. Теория подтвердилась. А что из этого следует? Есть ли практическая выгода из этого? Или это «пища для размышлений» теоретической физики для XXI века?
tundrawolf_kiba
05.10.2016 00:11+4Практическая польза от фундаментальных исследований редко прямая. Она может проявится через долгое время(между открытием электричества и началом его практического использования прошло почти 2 века). Либо — польза может быть получена косвенно при решении инженерных задач, возникающих при постройке такого непростого объекта.
Из того, что нашли бозон Хиггса — прямо сейчас следует например то, что люди, занимавшиеся бесхиггсовскими моделями могут переключить внимание на что-то другое. Плюс на высоких энергиях есть шанс открыть какую-нибудь неизвестную ранее частицу или реакцию. Но опять же — выгоды прямо сейчас от этого не будет, а в будущем — пусть над этим прикладники и инженеры думают.
herrjemand
05.10.2016 03:27+1Пользы в данный момент нет. Собственно взять горстку бозонов и замариновать ими курицу у вас не политься. А вот побочные эффекты очень даже имеют. HTTP как раз изобрели в CERN, потому что им нужно было структурировать огромный объем данных. Мне кажется CERN себя уже перереререререре-окупили, благодаря удваиванию всемирной экономики только самим HTTP. Это не учитывая другие технологии которые были разработаны в рамках CERN и LHC. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%81-%D0%9B%D0%B8,_%D0%A2%D0%B8%D0%BC#.D0.98.D0.B7.D0.BE.D0.B1.D1.80.D0.B5.D1.82.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F
Here_and_Now
05.10.2016 09:16Согласен, очень советую посмотреть вот это видео. Тот момент, в котором они говорят о вычислительной мощности как об электричстве, просто mindblowing!
https://www.youtube.com/watch?v=cj8ZNgnzSSU
stokker
05.10.2016 10:15НТТР можно было изобрести и без таких капиталовложений.
Такое ощущение, что после бозона Хиггса вся остальная работа это повторение пройденного…herrjemand
05.10.2016 10:29Ну с таким подходом можно все изобрести. Вон Рамануджан так и переизобрел половину математики. Но вот я боюсь с таким подходом мы бы сейчас в пещерах сидели а не в теплом доме, читая Гиктаймс.
stokker
05.10.2016 10:40Или наоборот — в теплых домах сидели бы ВСЕ…
herrjemand
05.10.2016 10:41Я хочу посмотреть хоть на одно открытие которое было сделано без вложений.
SkyPhantasm
05.10.2016 10:48Побочные технололии по обработке такого потока данных, новые накопители для их хранения это всё хорошо. Но БАК уже есть, он строился с конкретной целью подтвердить(опровергнуть) существование бозона Хиггса. Количество потраченых средств и задействованных учёных просто колосально. БАК это не устроуство для поиска ответа на главный вопрос жизни, вселенной и всего такого. Масштабы проекта говорят что это что то важное уже сейчас(будь это не так никто б не дал денег), но что в этом такого важного я в упор не вижу.
Ohar
05.10.2016 15:31Замените в вашем рассуждении «БАК» на «гальванический элемент», а «уже сейчас» на «в 1790 году» и попытайтесь его перечитать и переосмыслить. Может быть, вопрос сам собой отпадёт?
tundrawolf_kiba
05.10.2016 17:59>с конкретной целью подтвердить(опровергнуть) существование бозона Хиггса.
Это только одна из целей. Другие, которые могу сходу припомнить — поиски суперсимметрии. опять же — поиски каких-либо отклонений от Стандартной Модели на больших энергиях. Если повезет — то в результате экспериментов будет создан новый раздел физики. Вообще основные цели в той же вики достаточно хорошо описаны. Но как я говорил выше — выгоды «здесь и сейчас» — не ищите.
P.S. сейчас уже выбран проект для строительства в дальнейшем на базе БАКа электронно-позитронного коллайдера по проекту ИЯФ, с энергиями до 100 ТэВ и использованием БАКа в качестве инжектора.
aspr_spb
04.10.2016 23:20Распад Хиггса на пару b-анти-b не удалось пронаблюдать до сих пор — этот канал слишком зашумлен: http://atlas.cern/updates/physics-briefing/atlas-observes-higgs-boson-run-2-data.
DukeKan
05.10.2016 10:11+2Оффтоп: если мотать страницу вверх-вниз в районе первого фото, получается занятный визуальный эффект.
TheGodfather
05.10.2016 10:13>много столкновений протонов: примерно 1 миллиард в секунду.
>о бозоне Хиггса — элементарной частице, которая образуется примерно один раз на миллиард столкновений.
Я правильно понял, что в среднем по больнице ученые сейчас могут «наблюдать» примерно 60 этих самых бозонов Хиггса в минуту? Что, на мой взгляд, overдофига, учитывая, что несколько лет назад был вообще вопрос о существовании этих частиц…
Hegny
05.10.2016 11:32+1на самом деле для определения свойств Хиггса этого очень мало, к тому же сильный шум из-за того, что используются протоны (каждый из 3х кварков).
по этой причине еще до подтверждения бозона Хиггса начали планировать постройку так называемого Higgs-factory, причем параллельно 3 разных проекта. На сегодня основными конкурентами являются FCC (Future Circular Collider) и ILC (International Linear Collider), оба электрон-позитронные (низкий шум от побочных процессов), при этом ILC, поскольку линейный, позволит работать с поляризованными пучками.
Просто обнаружения Хиггса мало, надо измерить его параметры:
точное измерить массу, четность (parity), взаимодействие (coupling) с калибровочными бозонами, брэнчинг распада (decay branching ratio. был уверен, что есть нормальный русский термин), полную ширину распада, взаимодействие Юкавы (Yukawa coupling) с топ кварком и Higgs-Higgs взаимодействие.
И вот в этих измерениях БАК уже мало чем может помочь.
v1ptyoz
05.10.2016 10:13Интересный какой эффект на КДПВ получился. Причем только по колесу мыши его замечаю
andy_p
> Нехватка HDD — это приятная проблема.
Не очень приятная. Когда закон Яровой-Озерова начнут выполнять, на что будут результаты экспериментов записывать?
wormball
Будут специально гонять их через Россию! Только надо знакомых в ФСБ иметь, чтобы их обратно получать.
Zibx
Они и так гонят их через Россию. Во всяком случае обсчитывают.
Floyd919
«Нам нужно быстро консолидировать старые симуляции и данные, чтобы освободить место для новых столкновений», — говорит Олсен.
То есть, скорее всего им не хватает места для сырых данных, которые постоянно поступают в результате работы БАК. Вероятно, в агрегированном виде, очищенном от ненужной информации, они занимают намного меньше.