АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР HCAL

Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов – частиц, участвующих в сильном взаимодействии, –хотя и менее точно, чем электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов.

Снижение точности–вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет диаметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность трековых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попросту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флуктуации энергии в адронных ливнях намного больше.

В установке CMS адронный калориметр собран из слоев материала высокой плотности – бронзы или стали, – чередующихся с пластиковыми сцинтилляторными ячейками, которые регистрируют энергию и положение пролетающих сквозь них адронов по интенсивности сцинтилляции. В центральной части детектора ATLAS в качестве материала–поглотителя используется железо, но сам адронный калориметр работает примерно так же.

МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Самый внешний слой в любом универсальном детекторе элементарных частиц составляют мюонные камеры. Мюоны, как вы помните, – это заряженные частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Ни электромагнитный, ни адронный калориметры не способны их остановить. Эти частицы, не обращая ни на что внимания, летят прямиком в толстый внешний слой детектора (рис. 38).

Энергичные мюоны очень полезны в поиске новых частиц; в отличие от адронов, они достаточно изолированы, их траектории относительно легко регистрировать и измерять. Экспериментаторы хотят регистрировать все события с участием энергичных мюонов, разлетающихся в поперечном направлении, потому что самые интересные столкновения редко обходятся без их участия. Мюонные детекторы могут также оказаться полезными для регистрации любых других тяжелых и стабильных заряженных частиц, которым удастся добраться до внешних пределов детектора.

Мюонные камеры регистрируют следы мюонов, достигших внешнего слоя детекторов. В некоторых отношениях мюонный детектор похож на внутренний – те же трекеры и магнитные поля, которые отклоняют мюоны от прямой, чтобы можно было измерить изгиб траектории и импульс частицы. Однако магнитное поле в мюонных камерах отличается от поля во внутренних трекерах, да и сам детектор намного толще, что позволяет измерять даже очень небольшую кривизну траектории и, соответственно, регистрировать частицы с более высоким импульсом (их полет в магнитном поле меньше отклоняется от прямой). В CMS мюонные камеры занимают пространство от трех метров до внешнего радиуса детектора – примерно 7,5 м; в ATLAS они начинаются на четырех метрах и тянутся до внешних пределов детектора – до 11 м. Эти громадные конструкции позволяют измерять положение частиц с точностью до 50 мкм.

ТОРЦЕВЫЕ ЧАСТИ

Последние элементы детектора, о которых мы еще не говорили, – оконечные элементы, детекторы на переднем и заднем концах экспериментальной установки (на рис. 39 можно увидеть их примерную структуру). Теперь мы будем двигаться не по радиусу от луча наружу – последним этапом в этом направлении были мюонные детекторы, – а вдоль оси цилиндра к его концам и ограничивающим их «крышкам». Цилиндрическая часть установки «закупорена» там специальными детекторами, назначение которых–обеспечить регистрацию максимального числа частиц. Оконечные элементы устанавливались на место последними, поэтому в 2009 г. при посещении коллайдера я с такой легкостью рассматривала слоеный пирог внутреннего устройства детекторов.

Дополнительные детекторы на торцевых частях детекторного цилиндра установлены для того, чтобы экспериментаторы могли быть уверены: детектор регистрирует импульсы всех без исключения частиц. Их цель – замкнуть пространство экспериментальной установки, сделать его герметичным и не оставить нигде пропусков и неучтенных отверстий. Герметичные измерения гарантируют, что будут обнаружены даже не взаимодействовавшие или очень слабо взаимодействовавшие частицы. Если наблюдается «недостающий» поперечный импульс, это означает, что при столкновении должна была образоваться одна или несколько частиц, не вступающих в непосредственно обнаружимые взаимодействия. Подобные частицы обладают импульсом, и импульс, который они уносят с собой, сообщает экспериментаторам об их существовании.

Если нам известно, что детектор регистрирует и измеряет все поперечные импульсы – и при этом после столкновения создается впечатление, что импульс, направленный перпендикулярно пучку, не сохраняется, – это означает, что какие‑то частицы остались незамеченными и унесли с собой часть импульса. Мы уже видели, что детекторы очень точно измеряют импульс в перпендикулярной плоскости. Калориметры в передней и задней областях обеспечивают герметичность и гарантируют, что незамеченной может остаться лишь очень малая часть энергии или импульса, перпендикулярных пучку.

Установка CMS имеет в своих торцевых областях стальные поглотители и кварцевые нити, которые еще плотнее и потому лучше разделяют направления движения частиц. Латунь в оконечных элементах – вторичное сырье; прежде она применялась в российских артиллерийских снарядах. В передней части установки ATLAS используются калориметры на жидком аргоне, способные регистрировать не только электроны и фотоны, но и адроны.

МАГНИТЫ

В обоих детекторах осталось еще несколько компонентов, которых имеет смысл описать подробнее, – это магниты. Магнит – не детекторный элемент в том смысле, что непосредственно он не регистрирует никаких характеристик частиц. Однако магниты необходимы для регистрации частиц; они помогают определить импульс и заряд, без которых невозможно распознать частицы и их треки. Магнитное поле отклоняет движущиеся заряженные частицы, поэтому их треки получаются изогнутыми, а не прямыми. Насколько сильно и в каком направлении они отклоняются, зависит от энергии и заряда каждой частицы.

Громадный соленоидный магнит CMS изготовлен на основе замороженной сверхпроводящей ниобиево–титановой катушки длиной 12,5 м и диаметром 6 м. Этот магнит (самый большой в мире магнит такого типа) – главная, определяющая деталь детектора. Витки проволоки в соленоиде намотаны на металлический сердечник и при пропускании тока генерируют магнитное поле. По заключенной в нем энергии этот магнит соответствует примерно полутонне взрывчатки. Само собой разумеется, на случай сбоя и внезапной потери сверхпроводимости приняты особые меры предосторожности. В сентябре 2006 г. было проведено успешное испытание соленоида с напряженностью поля 4 Тл, но на самом деле он будет работать с полем несколько меньшей напряженности – 3,8 Тл; инженеры надеются, что это увеличит срок службы устройства.

Соленоид достаточно велик, чтобы трекеры и калориметры можно было разместить внутри него. Мюонные детекторы, с другой стороны, располагаются снаружи, вдоль внешней поверхности детектора. При этом четыре внутренних слоя мюонного детектора вплетены в громадную железную конструкцию, которая окружает магнитную катушку; эта конструкция сдерживает и направляет магнитное поле, обеспечивая его однородность и стабильность. Конструкция длиной 21 м и диаметром 14 м простирается до полного семиметрового радиуса детектора. По существу, она тоже является частью мюонной системы – ведь по идее только мюоны из всех известных заряженных частиц способны преодолеть 10 000 т железа и пройти сквозь мюонные камеры. (На самом деле энергичные адроны тоже иногда проходят сквозь все это, доставляя экспериментаторам головную боль.) Магнитное поле ярма отклоняет мюоны во внешнем детекторе. Поскольку степень отклонения мюона в магнитном поле зависит от его импульса, ярмо необходимо для измерения импульсов и энергий этих частиц. Структурно стабильный громадный магнит играет и еще одну важную роль. Он является несущей конструкцией установки и защищает ее от гигантских сил, порожденных ее собственным магнитным полем.

Магнит детектора ATLAS сконфигурирован совершенно иначе. В этом детекторе используются магниты двух разных систем: соленоид на 2 Тл, окружающий систему трекеров, и громадные тороидальные магниты во внешней части детектора, слои которых перемежаются со слоями мюонных камер. Если взглянуть на фотографию ATLAS (или на саму установку), то самыми заметными элементами окажутся восемь громадных тороидальных структур (см. рис. 34) и два дополнительных тороида, прикрывающих концы цилиндра. Генерируемое ими магнитное поле тянется на 26 м вдоль оси пучка и на 11 м от начала мюонного спектрометра в радиальном направлении.

При посещении ATLAS мне рассказывали, что в момент установки на место эти магниты были овальными (если смотреть сбоку). Инженеры учли фактор гравитации и верно рассчитали, что через некоторое время после установки тороиды под действием собственного веса станут более круглыми.

Сильное впечатление на меня произвела еще одна история. Оказывается, инженеры ATLAS учли крохотное поднятие пола тоннеля примерно на 1 мм в год за счет гидростатического давления породы, связанного с образованием в ней полости. Они рассчитали установку таким образом, чтобы это крохотное движение привело ее в оптимальное положение в 2010 г., когда намечался первый пуск коллайдера на полную мощность. Из‑за всевозможных задержек получилось не так, однако к настоящему моменту грунт под установкой перестал двигаться, и теперь она до конца эксплуатации останется в правильном положении. Несмотря на сентенцию бейсболиста и философа Йоги Берра о том, что «предсказывать трудно, особенно будущее», инженеры ATLAS сделали все верно.

РАСЧЕТЫ

Ни одно описание БАКа не может быть полным без разговора о его громадных вычислительных мощностях. Помимо замечательных технических решений, в результате которых были созданы трекеры, калориметры, мюонные системы и магниты и которые мы только что обсудили, можно говорить о том, что для обработки ошеломляющего количества данных, порождаемого многочисленными столкновениями, необходимы тщательно скоординированные и организованные вычисления, которые проводятся одновременно по всему миру.

Тот факт, что БАК работает с в 7 раз более высокими энергиями, чем тэватрон (прежний рекордсмен по энергии столкновений), – это еще не все. События в нем происходят в 50 раз чаще. БАК должен справляться с данными (по существу, с картинками очень высокого разрешения) о событиях, которые происходят с частотой примерно до миллиарда столкновений в секунду, причем «картинка» каждого события содержит около мегабайта информации.

С таким объемом данных не могла бы справиться ни одна вычислительная система. Поэтому специальные триггерные системы «на лету» принимают решения о том, какую информацию следует сохранить, а от какой можно избавиться. Разумеется, львиную долю составляют совершенно обычные столкновения протонов с участием сильного взаимодействия. Большая часть этих столкновений никому не интересна, потому что они представляют хорошо известные физические процессы и не дают ничего нового.

Столкновение протонов в каком‑то смысле напоминает столкновение двух мешочков с горохом. Эти мешочки мягкие, поэтому большую часть времени они мотаются из стороны в сторону, сжимаются и не делают во время столкновения ничего интересного. Но иногда при «стыковке» мешочков отдельные горошины сталкиваются друг с другом лоб в лоб с огромной силой – иногда настолько большой, что мешочки лопаются. В этом случае отдельные столкнувшиеся горошины с силой разлетаются во все стороны, потому что они твердые и энергия их столкновений более локализована, а остальные горошины продолжают лететь дальше в том же направлении.

Точно так же при столкновении протонов в пучке отдельные их составляющие могут столкнуться друг с другом и породить интересное явление, тогда как остальные объекты продолжат свой полет по трубке в прежнем направлении.

Однако в отличие от столкновения горошин, при котором они просто меняют направление полета, столкновение протонов проходит иначе. Их составные части – кварки, антикварки и глюоны – сталкиваются между собой; при этом первоначальные частицы могут превратиться в энергию или породить другие типы вещества. И если на более низких энергиях в столкновениях принимают участие в первую очередь три валентных кварка, несущие на себе заряд протона, то на более высоких энергиях виртуальные квантово–механические эффекты порождает значительное количество глюонов и антикварков, как мы уже видели в главе 6. Ученым интересны те столкновения, в которых участвует хоть что‑нибудь из этих виртуальных составляющих протона.

В энергичном протоне высокой энергией обладает не только он сам, но и все содержащиеся внутри кварки, антикварки и глюоны. Тем не менее их энергия никогда не равняется полной энергии протона, а составляет, как правило, лишь небольшую ее долю. Поэтому чаще всего в столкновениях кварков и глюонов задействуется слишком малая часть энергии протона, и тяжелые частицы не рождаются. Возможно, из‑за невысокой силы взаимодействия или недостаточной для новых частиц массы интересные столкновения с участием невиданных доселе частиц или сил случаются гораздо реже, чем «скучные» столкновения в рамках Стандартной модели.

Как и в случае с мешочками, большинство столкновений не вызывают особого интереса. В них протоны либо всего лишь слегка касаются друг друга, либо сталкиваются, порождая обычные события Стандартной модели, о которых нам уже известно и которые не в состоянии научить нас ничему новому. С другой стороны, прогнозы говорят о том, что примерно одно столкновение из миллиарда в БАКе может оказаться интересным и породить какую‑нибудь новую частицу, такую, например, как бозон Хиггса.

Итак, суть дела сводится к тому, что сколько‑нибудь интересные события происходят лишь в короткие удачные промежутки времени. Теперь ясно, почему нам нужно так много столкновений и почему нам важна так называемая светимость коллайдера. Лишь небольшая доля происходящих в нем событий оказывается необычной и несет в себе новую информацию.

Выделить потенциально интересные события из общей массы – задача триггеров; триггерами называют аппаратные и программные средства, специально предназначенные для распознавания таких событий. Чтобы хотя бы приблизительно осознать тяжесть этой задачи, представьте, что у вас есть 150–мегапиксельная фотокамера (именно такое количество информации БАК получает с одного столкновения протонных сгустков), способная делать 40 млн снимков в секунду (с такой частотой идут столкновения сгустков). Учтем, что при каждом столкновении сгустков происходит 20‑25 событий, и полним результат – около миллиарда физических событий в секунду. Триггер – аналог механизма, который будет оставлять для вас лишь интересные и удачные снимки. Триггеры можно сравнить также с антиспамовыми фильтрами. Их задача – сделать так, чтобы на компьютеры экспериментаторов попадали только интересные данные.

Триггеры должны распознать потенциально интересные столкновения и отбросить те, которые не несут никакой новой информации. Сами события – то, что покидает зону взаимодействия и регистрируется детекторами – должны отличаться от обычных процессов Стандартной модели. Чтобы выделить и сохранить интересные события, необходимо знать, как они должны выглядеть. Перед триггерами стоит невероятно сложная задача. Они должны проредить пресловутый миллиард событий в секунду и оставить из него лишь несколько сотен событий, каждое из которых может оказаться интересным.

Эту задачу выполняет комбинация аппаратных и программных фильтров. Каждый триггер из последовательной цепочки отвергает большую часть поступающих на него событий как неинтересные, оставляя лишь небольшую их часть, справиться с которой уже намного легче. Эти данные, в свою очередь, анализируются компьютерными системами в 160 академических институтах по всему миру.

Триггер первого уровня – это встроенное в детекторы аппаратное устройство, на которое ложится львиная доля работы по распознаванию характерных признаков потенциально интересного события; он отбирает, к примеру, все события, в результате которых рождаются энергичные мюоны или в калориметрах выделяется заметная энергия в поперечном направлении. Несколько микросекунд до срабатывания первого триггера вся полученная от столкновения сгустков энергия хранится в буфере. Триггеры более высоких уровней представляют собой специальные программы; алгоритмы отбора действуют на большом компьютерном кластере, расположенном рядом с соответствующим детектором. Триггер первого уровня снижает число событий примерно в 10 000 раз: из миллиарда событий в секунду остается около 100 000. Программные триггеры снижают это количество еще примерно в тысячу раз, оставляя всего лишь несколько сотен потенциально интересных событий.

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.

Поиск по сайту: