Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Каждое событие, проходящее через фильтр триггера, несет в себе громадное количество данных—те самые показания детекторных элементов, о которых мы говорили; на одно событие приходится больше мегабайта информации. При нескольких сотнях потенциально интересных событий в секунду экспериментальная установка каждую секунду занимает более 100 Мбайт дискового пространства; в год набирается более одного петабайта — 10¹⁵ байт, или один квадриллион байт (часто ли вам приходится пользоваться такими цифрами?); это эквивалентно нескольким сотням тысяч DVD–дисков с информацией.

Тим Бернерс–Ли, придумывая Всемирную паутину, думал о громадных объемах данных CERN и о том, что экспериментаторы всего мира должны обмениваться информацией в реальном времени. Вычислительная грид–система проекта БАКа — следующий серьезный шаг Центра на пути организации научных вычислений. Эта «решетка», запущенная в конце 2008 г. после разработки большого количества специальных компьютерных программ, призвана помочь экспериментаторам разобраться с огромными объемами получаемых данных и облегчить их обработку. Грид-система использует в своей структуре как частные оптоволоконные кабели, так и высокоскоростные участки общедоступного Интернета. Решеткой (Grid) она называется потому, что данные в ней не привязаны к одному–единственному серверу, а распределены по компьютерам по всему миру — примерно так же, как электроснабжение большого города не привязано к одной конкретной электростанции.

Информация о событиях, прошедших через триггерные фильтры, сначала закладывается на хранение, а затем распределяется по решетке по всему земному шару. Через решетку компьютерные сети в разных концах света получают свободный доступ к записанной в нескольких копиях информации. Если Всемирная паутина предназначена для распространения информации, то решетка помогает распределить вычислительные мощности и массивы данных между множеством компьютеров, принимающих участие в проекте.

Вычислительные центры грид–системы распределены по уровням, или ярусам. Нулевой уровень — это вычислительный центр CERN, где данные записываются и преобразуются из первоначальной формы в другую, более подходящую для физического анализа. Далее информация расходится по каналам с высокой пропускной способностью в десятки крупных национальных вычислительных центров, составляющих уровень 1. Аналитические группы при желании могут получить доступ к этим данным. При помощи оптиковолоконных кабелей уровень 1 соединяется примерно с пятьюдесятью аналитическими центрами уровня 2. Эти вычислительные центры располагаются в университетах и обладают достаточными вычислительными мощностями, чтобы моделировать физические процессы и проводить специфический анализ.

Наконец, любая университетская группа может участвовать в реализации анализа на уровне 3, где, собственно, и извлекается большая часть реальной физической информации. На этом этапе экспериментаторы в любой точке земного шара могут тщательнейшим образом перерыть все данные и выяснить, не расскажут ли столкновения энергичных протонов что-нибудь новое, и интересное. Но, чтобы увидеть, новое это или нет, необходимо выполнить первую задачу эксперимента — понять, что именно произошло. Об этом мы и поговорим в следующей главе.

ГЛАВА 14. КАК РАСПОЗНАТЬ ЧАСТИЦЫ

Стандартная модель физики элементарных частиц представляет в компактном виде наш нынешний взгляд на элементарные частицы и их взаимодействия (рис. 40) [43] Она включает в себя такие частицы, как верхние и нижние кварки и электроны, составляющие самую основу привычного вещества; помимо этого она содержит также немало других, более тяжелых частиц, которые участвуют в тех же взаимодействиях, но, как правило, не встречаются в природе (эти частицы мы можем тщательно изучить только в высокоэнергетических экспериментах на коллайдере). Большая часть составляющих Стандартной модели, в том числе и частицы, которые в настоящее время изучаются на БАКе, были достаточно надежно укрыты от человеческого взора, пока во второй половине XX в. хитроумные эксперименты и теоретические построения не извлекли их «на свет божий».

43

В этой таблице даны отдельно левые и правые частицы. Они различаются киральностью, которая для безмассовых частиц говорит о вращении (спине) вдоль направления движения. Массивные частицы могут быть обоих типов: например, электрон может быть левым или правым. В данном случае признаки отличия не так важны, как разница во взаимодействиях. Если бы все частицы не имели масс, то слабое взаимодействие, превращающее верхние кварки в нижние, а заряженные лептоны — в нейтральные, действовало бы только на левые частицы. С другой стороны, сильное и электромагнитное взаимодействия влияют на частицы обоих типов, причем только кварки обладают сильным зарядом. —Прим. авт.

Экспериментальные установки ATLAS и CMS в Большом адронном коллайдере предназначены для обнаружения и распознавания частиц Стандартной модели. Настоящая цель, разумеется,

РИС. 40. Элементы Стандартной модели физики элементарных частиц с указанными массами. Показаны также отдельно частицы с правым и левым спином. Слабое взаимодействие, способное изменить тип частицы, действует только на левые частицы

состоит в том, чтобы выйти за пределы уже известного — отыскать новые элементы или взаимодействия, которые помогли бы разобраться в многочисленных загадках. Но для этого физики должны научиться без труда выделять фоновые события Стандартной модели и распознавать обычные, хорошо известные частицы, на которые могут распадаться в тех или иных условиях неведомые экзотические частицы. Экспериментаторы БАКа похожи на детективов, которые анализируют имеющиеся данные, чтобы соединить их в единую картину и понять, что здесь было прежде. Чтобы обнаружить что-то новое, необходимо сначала исключить из картины все известные элементы.

Познакомившись с конструкцией двух основных универсальных детекторов БАКа, мы теперь вновь наведаемся на коллайдер и постараемся разобраться в том, как физики распознают отдельные частицы. Некоторое знакомство с современным состоянием физики элементарных частиц и методов обнаружения частиц Стандартной модели будут полезны и при обсуждении научного потенциала БАКа в части IV.

В ПОИСКАХЛЕПТОНОВ

Специалисты по физике элементарных частиц делят частицы Стандартной модели на две категории. Частицы первого типа известны как лептоны.

В эту категорию попадают частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. В первую очередь это электроны; в Стандартной модели присутствуют также две более тяжелые версии электрона, обладающие таким же зарядом, но гораздо большей массой, — мюон и тау–лептон. Оказывается, имеется три, обладающих одинаковым зарядом варианта каждой из встречающихся нам в повседневной жизни частиц Стандартной модели; при этом каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Мы не знаем, почему таких вариантов именно три. Говорят, что лауреат Нобелевской премии по физике 1944 г. Исидор Айзек Раби, услышав о существовании мюона, воскликнул в изумлении: «Кто заказывал?»

Самые легкие лептоны обнаружить проще всего. Хотя и электроны, и фотоны отдают энергию в электромагнитном калориметре, различить их легко: электрон имеет электрический заряд, а фотон — нет. Из этих частиц только электрон, прежде чем отдать энергию калориметру ECAL, оставляет трек во внутреннем детекторе.

Распознать мюоны тоже относительно легко. Подобно всем остальным тяжелым частицам Стандартной модели, мюоны распадаются так быстро, что в обычном веществе их обнаружить невозможно, и вне эксперимента мы на Земле их почти не видим. Однако мюоны живут все же достаточно долго, чтобы успеть добраться до внешних слоев детектора. Поэтому они оставляют за собой длинные, ясно различимые треки, и экпериментаторы могут проследить их путь сквозь все слои от внутреннего детектора до внешних мюонных камер. Мюоны — единственные частицы Стандартной модели, способные добраться до внешних детекторов и оставить в них видимый след, поэтому распознать и выделить их несложно.

Тау–частицы, хотя они и заметны, обнаружить уже не так просто. Тау–частица представляет собой заряженный лептон, подобный электрону и мюону, но превосходит то и другое по массе. Как и большинство тяжелых частиц, она нестабильна; это значит, что тау–частица распадается, оставляя после себя группу других частиц. Любая тау–частица стремительно распадается на легкий заряженный лептон и две частицы под названием нейтрино или на одно нейтрино и частицу под названием пион, участвующую в сильном взаимодействии. Экспериментаторы изучают продукты распада — частицы, на которые распалась первоначальная нестабильная частица, — чтобы определить, не было ли на их месте тяжелой нестабильной частицы, и если таковая была, то какими свойствами обладала. Сам тау–лептон не оставляет трека, но по информации о продуктах распада, которые регистрирует экспериментальная установка, можно распознать эту частицу и ее свойства.

Электрон, мюон и еще более тяжелый тау–лептон имеют одинаковые заряды, равные -1 и противоположные заряду положительно заряженного протона. Кроме того, в коллайдерах рождаются античастицы, соответствующие этим заряженным лептонам, — позитрон, антимюон и антитау–лептон. Эти античастицы имеют заряд +1 и оставляют в детекторах треки, похожие на треки соответствующих частиц, но из-за противоположного заряда в магнитном поле они отклоняются в противоположную сторону.

Кроме только что описанных трех типов заряженных лептонов Стандартная модель содержит нейтрино — очень легкие лептоны, не несущие никакого электрического заряда. Если три заряженных лептона участвуют как в электромагнитном, так и в слабом взаимодействии, то нейтрино заряда не имеют и потому нечувствительны к электрическим силам. До 1990–х гг. экспериментальные результаты указывали, что нейтрино имеют нулевую массу. Одним из интереснейших открытий того десятилетия стало обнаружение у нейтрино чрезвычайно малой, но неисчезающей массы покоя; это показало, что Стандартная модель физики частиц неполна.