Под землей со скоростью света

В последние дни одними из самых часто употребляемых слов во всем мире стали слова "Большой адронный коллайдер". Гигантский ускоритель тяжелых элементарных частиц должен разгонять протоны до околосветовых скоростей и сталкивать их друг с другом. Будущие соударения должны породить новые частицы и уже породили массу слухов. В частности, слух о том, что коллайдер уничтожит Землю. Насколько оправданы эти страхи и для чего физики пугают своих соседей по планете?

Конец света по науке

В среду, 10 сентября 2008 года, в 11:30 по московскому времени инженеры и ученые, собравшиеся на границе Швейцарии и Франции, нажмут на большую красную кнопку, и пучки протонов начнут движение по кольцу Большого адронного коллайдера. В четырех местах кольца протоны будут с огромной энергией сталкиваться друг с другом. Чудовищная сила удара приведет к рождению новых частиц с необычными свойствами. Так, при столкновениях появятся капельки так называемой "странной материи", или "страпельки", которые превращают в "странную материю" все, с чем контактируют.

Кроме того, столкновение протонов неизбежно приведет к образованию антиматерии – антипода "обычной" материи, из которой состоят люди, деревья, стенки туннеля БАК и сама планета Земля. При контакте частиц "обычной" и антиматерии обе они взаимоуничтожаются.

В БАК будет достигнута энергия, достаточная для образования микроскопических черных дыр, – объектов огромной массы, которые притягивают к себе всю находящуюся поблизости материю. Сначала маленькая, постепенно черная дыра будет поглощать вещество и увеличиваться в размерах. Чем больше она будет становиться, тем быстрее будет поглощать материю. В конце концов возникшая в туннеле БАК черная дыра поглотит всю Землю. Примерно вот так:

И еще раз

Сколь бы величественна в своей чудовищности ни была эта картина, ничего подобного 10 сентября не произойдет. Как будут развиваться события в реальном БАК, а не в БАК из научной фантастики?

В среду, 10 сентября 2008 года, в 11:30 по московскому времени инженеры и ученые, собравшиеся на границе Швейцарии и Франции, запустят в туннель БАК длиной 27 километров пучок протонов. Сначала протоны пройдут по первому сегменту кольца (всего их восемь), потом по второму и, наконец, к концу дня элементарные частицы начнут циркулировать по всему кольцу ускорителя. Энергия инжекции (энергия, с которой протоны запускают в ускоритель) будет составлять 450 гигаэлектронвольт. Никаких столкновений частиц 10 сентября происходить не будет, так как все они будут двигаться в одном направлении (по часовой стрелке).

На следующий день (или через несколько дней – пока трудно сказать точнее), ученые запустят протоны по кольцу БАК в противоположном направлении. Если оба запуска пройдут нормально, инженеры приступят к настройке огромных магнитов, которые выступают в роли регулировщиков движения протонов. Когда частицы запускаются в ускоритель, они движутся по прямой. Для того чтобы они не улетали за пределы кольца (и не повредили сам БАК), магниты искривляют траекторию движения протонов, заставляя их "держаться в полосе".

В первые несколько дней работы коллайдера специалисты должны убедиться, что элементарные частицы стабильно циркулируют по кольцу ускорителя. Если работа магнитов отлажена недостаточно, то орбита движения протонов может быть сбита. В этом случае подача протонов в БАК прекратится до тех пор, пока инженеры не настроят все параметры магнитной системы.

Только после того как работа магнитов будет полностью проверена, ученые планируют в первый раз столкнуть два пучка протонов. Энергия столкновений должна составить 900 гигаэлектронвольт (при энергии инжекции каждого пучка в 450 гигаэлектронвольт). Такие столкновения не должны приводить к рождению опасных частиц. Ученые утверждают это не только из теоретических, но и из практических соображений: с такой энергией протоны сталкивались в других ускорителях, например в Теватроне, расположенном в штате Иллинойс в США (максимальная энергия столкновения в этом ускорителе составляла 1,96 тераэлектронвольт).

Во время "пробных" столкновений инженеры БАК смогут протестировать работу детекторов. Всего в кольце ускорителя находятся четыре детектора: два больших ATLAS и CMS (по размеру они сравнимы с собором Парижской Богоматери), и два поменьше - ALICE и LHCb. Детекторы не только регистрируют сигнал от столкновения, но также усиливают его (одна из составных частей детекторов – экраны из вольфрамата свинца – были созданы российскими физиками). Конструкция больших и малых детекторов несколько отличается, однако и те, и другие переводят сигналы от столкновения частиц в электрические импульсы.

Если все системы будут работать без сбоев, то к концу 2008 года ученые рассчитывают добиться энергии столкновений в 10 тераэлектронвольт. Дополнительное ускорение пучкам протонов придают магниты, расположенные вдоль туннеля ускорителя. После того как эта цель будет достигнута, БАК остановят до начала 2009 года (эксперимент экспериментом, а от рождественских каникул физики отказываться не намерены). Протоны начнут сталкиваться с той самой чудовищной энергией в 14 тераэлектронвольт (с такой энергией, например, сталкиваются в полете два комара) не раньше нового года.

При таких энергиях ученые надеются обнаружить рождение новых частиц (правда, образования "страпелек" не ожидается). С момента стабилизации высокоэнергетичных пучков на детекторы польется нескончаемый поток данных. Эксперимент, проводимый на коллайдере, не похож на химические или биологические опыты, когда ученые совершают некие действия (например, добавляют в культуру клеток лекарство), смотрят на результат и исходя из него проводят следующие опыты. После того как БАК выйдет на свои номинальные параметры, ученые будут непрерывно анализировать получаемую информацию. Основой для выводов, которые будут делать исследователи, является статистика. Столкновения частиц - достаточно редкое явление даже в благоприятных для этого условиях коллайдера. Чтобы доказать или опровергнуть какую-то теорию, необходимы тысячи столкновений.

Новые сети

Во время обсуждения проекта создания БАК вероятность коллапса информационного рассматривалась существенно серьезнее, чем физического. По предварительным оценкам, ежегодно с БАК будет поступать 15 петабайт (15 миллионов гигабайт) информации. Такое количество данных умещается на 1,7 миллиона двухслойных DVD.

Это будут так называемые сырые данные (raw data). Для того чтобы с их помощью понять, что же произошло в ускорителе (ведь сфотографировать непосредственно столкновения частиц нельзя), полученную с детекторов информацию необходимо обработать. Сделать это с помощью одного или нескольких суперкомпьютеров, пусть даже самых мощных, не представляется возможным. Необходимые для обработки вычислительные мощности можно получить, только используя принцип распределенных вычислений.

Компьютеры, на которых будут обрабатываться поступающие от БАК данные, будут находиться по всему миру. В идеале, каждый заинтересованный в эксперименте физик сможет участвовать в процессе со своего компьютера. До настоящего момента именно так были устроены все системы распределенных вычислений (наверное, самый известный пример – это проект SETI@home, участники которого ищут внеземную жизнь, обрабатывая сигналы радиотелескопов). Все они "довольствовались" структурой, предоставляемой интернетом. Для того чтобы "сладить" с БАК, этого недостаточно.

Специально для проекта коллайдера в CERN была разработана система GRID, которую многие называют следующей стадией эволюции Сети. GRID предназначена для хранения и обработки больших массивов данных. Она включает в себя несколько подуровней. Коротко работу GRID можно описать следующим образом: сначала сырые данные с детекторов БАК поступают на сервера CERN, где они сохраняются и подвергаются первичной обработке. Затем информация передается в 11 крупных компьютерных центров, расположенных в Европе и США. Эти центры получили название центров первого уровня (Tier-1). С них данные рассылаются на 120 компьютерных центров второго уровня (Tier-2), которые предназначены для решения конкретных аналитических задач. Исследователи будут иметь доступ к данным с центров второго уровня со своих компьютеров.

Название GRID было выбрано по аналогии с названием электросетей (electric power grid). Когда человек включает в своей квартире свет, энергия, которая заставляет его лампочку светиться, может прийти из Красноярска или из ближнего Подмосковья. С ТЭЦ или АЭС энергия поступает на электроподстанции, откуда распределяется по конечным пользователям. Этот же принцип реализован в GRID.

Супермодель

Под конец коснемся вопроса, зачем же физикам понадобился такой масштабный эксперимент (стоимость проекта БАК составляет более пяти миллиардов долларов - по другим оценкам, более восьми - без учета потребляемой коллайдером электроэнергии, отдельные компоненты этой установки производились на заводах разных стран-участниц). Как читатель уже, вероятно, много раз слышал по телевизору и читал в интернете, с помощью БАК ученые хотят воссоздать условия, которые существовали во Вселенной сразу после Большого Взрыва. Если обратиться к истории создания других ускорителей, то выяснится, что они были сконструированы для этой же цели. Просто БАК является более совершенной моделью.

После Большого Взрыва юные элементарные частицы сталкивались между собой, из них рождались новые частицы, и через миллиарды лет (по современным оценкам, 13,7 миллиарда лет назад) Вселенная приобрела тот вид, который имеет сейчас. Физики пытаются объяснить, как именно она устроена, и на сегодняшний день наиболее популярной является так называемая Стандартная модель. В частности, она объясняет, как именно частицы приобретают массу. Стандартная модель связывает массу частиц с так называемым полем Хиггса, элементарной частицей которого является бозон Хиггса. Его существование было предсказано в 1960-е годы физиком Питером Хиггсом, однако до сих пор эту частицу обнаружить не удавалось. В БАК будут созданы идеальные условия для ее появления. Если бозон Хиггса действительно существует, то рано или поздно он должен возникнуть в коллайдере (здесь ученым должна помочь накопленная статистика). В этом случае Стандартная модель из разряда теории перейдет в разряд факта. Наряду со свойством объяснять наблюдаемые явления "правильная" теория должна их предсказывать, а Стандартная модель предсказывает возникновение бозона Хиггса.

Если за время работы БАК (сейчас физики ориентируются на 20 лет) бозон Хиггса найден не будет – тогда от Стандартной модели придется отказаться. Известный британский астрофизик, специалист по черным дырам и популяризатор науки Стивен Хокинг объявил, что поставил 100 долларов на то, что ученые не смогут обнаружить бозон Хиггса. По мнению Хокинга, отрицательный результат будет куда более интересным, чем положительный, так как он поставит под сомнение правомерность современной физики элементарных частиц. Если злополучная частица не будет найдена – ученым придется хорошенько "подумать еще раз".

Помимо поисков природы массы и бозона Хиггса с помощью БАК физики рассчитывают подтвердить или опровергнуть теорию суперсимметрии. Она предполагает, что у элементарных частиц существуют суперсимметричные партнеры. Экспериментальное доказательство суперсимметрии, в свою очередь, станет серьезным доводом в пользу правомерности теории струн, которая постулирует, что базовыми составляющими элементарных частиц являются не еще более мелкие частицы, а протяженные одномерные струны (более подробно о теории струн можно прочитать здесь). Теория струн претендует на фундаментальный переворот наших представлений об "устройстве всего".

Данные, полученные с помощью БАК, возможно, помогут физикам убедиться в том, что наш мир многомерен (только в этом случае, кстати, теоретически возможно образование в коллайдере микроскопических черных дыр). И это далеко не все, для чего науке может "пригодиться" коллайдер.

Если бы было возможно выразить соотношение польза/риск для БАК в численном виде, то полученная цифра, вероятно, имела бы много знаков. Если разговаривать о катастрофических последствиях запуска коллайдера с серьезными учеными, то выражение "если предположить, что ..., хотя это никак пока не доказано" будет встречаться приблизительно в каждом предложении. Несмотря на крайне низкую вероятность трагического развития событий, физики провели несколько исследований возможной опасности БАК и пришли к выводу, что она ничтожна. Последний отчет был опубликован несколько дней назад. Впрочем, истерия вокруг коллайдера (включая даже судебные процессы с требованием запретить его запуск, так как он угрожает существованию мира) привлекает внимание людей к этому грандиозному научному проекту. А тем, кто все-таки волнуется за сохранность планеты, можно посоветовать расслабиться - по крайней мере, до наступления нового года. Тем более что физики уже начали обсуждать проект нового коллайдера, в котором будут сталкиваться электроны и который по размеру превзойдет БАК.