Маленький “великий вибух”
Репортаж з жерла Великого Адронного Колайдера
“Елементарні частинки” новин з CERN – мабуть, самої грандіозної за масштабом і рівнем паблісіті наукової лабораторії в світі, регулярно розбурхують не тільки наукові уми. Виявляється, мільйони людей неймовірно збуджує незбагненність високої фізичної науки. З тих пір, як 11 років тому оголосили про будівництво Великого адронного коллайдера, таких в світі — безліч.
Захоплення світовою ненауковою громадськістю Великим адронним коллайдером, феномен інтересу до CERN і всього, що там відбувається, можна порівняти, мабуть, тільки з популярністю особистості і науково-популярних праць Стівена Хокінга – людини-легенди, астрофізика і космолога, відомого своїми роботами в області чорних дірок і книгами-бестселерами на кшталт “Короткої історії часу”.
У важкі життєві хвилини і періоди помутніння свідомості, зізнаюся, і я на ніч почитувала Хокінга – це неймовірно заспокоює і занурює в солодкий сон, спровокований перенапруженням мозку, який силується вникнути в складні роздуми про матеріальну будову Всесвіту. Так ось: при тому, що тиражі його книг побили всі світові рекорди, згідно з опитуваннями, майже ніхто НЕ прочитав більше 49 сторінок (включаючи і мене, звичайно) …
Але погодьтеся, адже так хвилююче опинитися на краю “чорної діри” і заглянути в безодню незбагненних знань, накопичених людством …
Аурою приблизно тієї ж сили тяжіння оповите і все, що пов’язано з колосальним досвідом під назвою “Великий Адронний Коллайдер”.
Звичайно, це не дивно: без сумніву, CERN є абсолютно безпрецедентною в історії людства науковою колаборацією воістину планетарного масштабу. Своєрідною “масонською науковою змовою”.
Але безпрецедентна вона не тільки масштабами досліджень і кількістю витрачених коштів (до речі, тільки електричної енергії для запуску та обслуговування CERN витрачається на 19 мільонів євро щорічно). Один із феноменів CERN — його інформаційна політика, в магнітне поле інтересів якої потрапляє аж ніяк не тільки наукове співтовариство.
Відкритість інформації про лабораторії для публіки і готовність ділитися знаннями, безсумнівно, захоплює. З іншого боку, це має підставу: з огляду на космічні вітрати на цей проект, цілком розумно з боку керівництва центру щиро інформувати платників податківпро все, що відбувається всередині.
До речі, самі вчені, яки працюють у грандіозному проекті CERN (зовсім не сухарі і не ботани, як з’ясувалося при найближчому розгляді) прекрасно розуміють, що без паблісіті в такій ому справі не обійтися. Тому все, що відбувається в CERN, охоче розголошується на весь світ.
А як же обстановка суворої секретності проведених ядерних досліджень? Чи не потрапить антиматерія в недобрі руки? Насправді, будь-які побоювання безпідставні. Після відвідин CERN стає очевидним, що світова наука практично нічим не ризикує: адже ми нашим скоромним ненауковим розумом все одно не в змозі усвідомити глибинну суть фізичних теорій і осягнути істинне значення безпрецедентних експериментів.
Коли був розкопаний тунель довжиною 27 км між Женевським озером і гірським хребтом Юра, два кінці зустрілись з точністю до 1 см.
Вражаюче також, наскільки вчені, що працюють в ЦЕРН, незважаючи на високі і темні наукові матерії, не цураються земних радощів та людьських слабкостей.
Під час нашого візиту і без того зовсім інопланетне відчуття, від якого неможливо було позбутися протягом усього перебування, було посилено … безліччю дивних персонажів в яскравих костюмах незрозумілих істот, небезпечно схожих на інопланетян.
У відповідь на наш легкий переляк, як людей, що опинилися в аномальній зоні, що супроводжує якось буденно пояснив, що мовляв нічого дивного – просто як раз сьогодні ми потрапили в день традиційного карнавального марафону, який періодично влаштовують мешканці містечка ЦЕРН. Дуже мило було спостерігати за пробігали повз нас мультяшними прибульцями з серйозними, навіть трохи скорботними науковими обличчями…
«На порожньому місці»
– Зараз ми стоїмо на самому порожньому і найхолоднішому місці у Всесвіті, – спокійно повідомив нам піарник детектора ALICE Борис Іполит, коли ми спустилися на глибину понад 70 метрів після дотримання всіх ритуалів безпеки. Ми виявилися прямо перед обличчям однієї з чотирьох гігантських станцій-детекторів, розташованих на тунелі-прискорювачі, де “відловлюються” і фіксуються дані в результаті зіткнень частинок.
Тобто, під нами – на землі (точніше, під землею), а не в Космосі, штучно створені унікальні умови, максимально наближені до моменту Великого Вибуху, в результаті якого і утворився Всесвіт (насправді це “максимальне наближення” до моменту – 380 000 років, дрібниці, звичайно). Якраз у місці під нашими ногами в тунелі-прискорювачі і досягаються найповніший вакуум і найнижчі температури. А в момент зіткнення частинок температура в сотню разів перевищує показники в серці Сонця ..
Насправді, центральна частина Колайдеру — найбільший в світі… холодильник. При температурі нижче, ніж в глибокому космосі, він містить залізо, сталь і всі відподвідні надпровідні котушки.
На кільці Великого адронного коллайдера встановлені чотири так званих експерименти – гігантських станції-детектора, в яких відбувається зіткнення частинок і збір інформації в результаті цих “подій”, як називають ці зіткнення вчені.
Кожна зі станцій складається з сотень тисяч високочутливих датчиків, розташовані в точках зіткнення пучків частинок (швидкість часток в БАК на зустрічних пучках близька до швидкості світла у вакуумі). Ці детектори працюють за принципом фотоапаратів. У кожного з цих детекторів – своя задача і “вузька спеціалізація”. Наприклад, детектор ALICE, в якому ми опинилися, призначений для вивчення кварк-глюонної плазми (поняття не маю, що це таке), детектор LHCb – для дослідження фізики b-кварків, яка повинна наблизити до розуміння відмінності між матерією і антиматерією.
ALICE зараз теж перебуває на модернізації – протягом двох років там змінюють датчики на більш сучасні і чутливі. Тому і став можливим цей візит.
Дані, записані великими експериментами, достатні для того, щоб заповнювати близько 50 000 1 ТБ жорстких дисків щороку.
Частинки розганяються в малому кільці-прискорювачі, потім вони “вбризкуються” в велике кільце і розганяються там, потім вони стикаються, утворюючи нові частинки. Вся ця інформація фіксується всередині детектора – детектор насправді працює за принципом неймовірних розмірів фотоапарата, який фіксує сліди від взаємодій частинок на спеціальних пластинах, сотнях тисяч спеціальних високочутливих пластин. Магнітна система містить близько 10 000 т заліза, це — більше, ніж в Ейфелевій вежі.
Колосальна кількість таких даних “знімається” в кожній з експериментальних станцій. Коли прискорювач і детектори працюють, в адронному колайдері відбувається понад мільярд зіткнень частинок в секунду. Наприклад, 40 мільйонів пакетів протонів стикаються кожну секунду тільки в центрі детектора ATLAS … Даних зчитується таку кількість, що жодна сучасна комп’ютерна система обробити і зберігати їх не здатна. І кількість даних зростає, як снігова куля …
Термін зберігання – вічність
Ось чому сховище інформації в ЦЕРН – не менш важлива і не менш унікальна складова проекту, ніж отримання цієї інформації і її аналіз. Тому насправді серцем організації є комп’ютерний центр ЦЕРНу.
Для зберігання і обробки цих воістину вселенських обсягів інформації була створена складна і дуже прогресивна інформаційна система під назвою ГРІД ( “мережа”). Ця система – колосальна електронно-інформаційна ризома, яка, як із спор гігантської електронної грибниці, проростає в різних частинах земної кулі і в різних країнах, які беруть участь в дослідженнях.
В кінці 20-го століття, коли почалася розробка наукової програми, стало очевидно, що розширювати потужності всередині ЦЕРНу дорого і не реально з технічної точки зору. Так і народилася концепція ГРІД, запропонована американськими вченими. Саме вони розробили систему, коли використовуються комп’ютерні ресурси там, де вони знаходяться. Залишалося лише з’єднати їх в єдиний віртуальний комп’ютер. Так ЦЕРН став першим в світі науковим співтовариством, яке здійснило реалізацію складної системи для наукових обчислень.
– З технічної точки зору це було революційна завдання – з’єднати величезну кількість обчислювальних центрів, розташованих в різних куточках планети, – розповідає Тетяна Андрєєва, співробітник комп’ютерного центру.
З точки зору соціологічної і політичної такий розподілений підхід також виявився більш правильним, тому що в науковій програмі коллайдера беруть участь десятки країн, і звичайно, вони зацікавлені вкладати гроші в свою інфраструктуру, в свої технічні потужності, ніж складати все в один кошик всередині ЦЕРН. Також цей підхід виявився раціональним з точки зору надійності зберігання даних – адже якщо щось трапиться з головним комп’ютерним центом, копії даних і обробка їх можливі на інших потужностях.
Насправді цей принцип став прабатьком розподіленої системи інформації, яку ми прекрасно використовуємо сьогодні кожен день: ви знаходите потрібну інформацію, і вам не потрібно знати, в якому місці фізично ця інформація знаходиться. Багато фізиків теж не знають, де відбувається обробка їх завдання, яким вони керують зі свого комп’ютера – в Америці чи Австралії.
ГРІД будували близько 15 років понад 200 комп’ютерних центрів у всіх куточках планети і на всіх материках. Але ЦЕРН залишається ядром системи. Обслуговування там відбувається 7 днів на тиждень і 24 години на добу роками безперервно.
Як не дивно, в той час, коли сьогодні існують крихітні пристрої-носії інформації величезних обсягів, дані в ЦЕРНІ зберігаються на … магнітних стрічках. Здавалося б – це минуле століття і несучасно, але насправді це дуже надійно і дешево в порівнянні з дисками. Час життя стрічки і інформаційна ємність більше, ніж диска. Але в той же час, якщо вам потрібно прочитати якийсь шматочок стрічки, потрібно її “промотувати” … тому ті “гарячі” дані (вони так і називаються), з точки зору наукової спільноти, які потрібні фізикам для оперативних досліджень, все- таки зберігаються на дисках. Дані, отримані в результаті “подій” -зіткнень, спочатку падають на перший рівень “фільтрації” -оброблення – в результаті залишається приблизно 1/10000 частина інформації.
Потім вони надходять на другий рівень фільтрації. Це велика комп’ютерна ферма, на якій відбирається ще приблизно 1%. Але навіть після такої “чистки” обсяг даних, отриманих з чотирьох експериментів, який може представляти інтерес для науки, дуже великий. Для їх зберігання необхідні великі потужності. Комп’ютерний центр, розташований в ЦЕРН, є основним сховищем даних. Це так звані “сирі” дані, які неможливо відтворити. Перші копії зберігаються в ЦЕРНІ вічно – термін зберігання цих даних не встановлено. Можливо, невгамовні вчені вважатимуть за необхідне звернутися до них через сотню років. Друга копія зберігається в іншому комп’ютерному центрі світу.
До речі, центри другого рівня знаходяться в Харкові і Києві в інститутах, які беруть участь у науковій програмі і надають свої комп’ютерні потужності.
Сьогодні в роботі ЦЕРН бере участь більше 20 країн, частина з яких країни-учасниці, країни-спостерігачі, але при цьому з можливістю брати участь в проектах лабораторії, і країни зі статусом асоційованого члена. Над проектами лабораторії працює понад 10 000 чоловік, з них 2500 працюють постійно, а 8000 фізиків і інженерів з 580 університетів і інститутів з 85 країн беруть участь у міжнародних експериментах ЦЕРН і працюють там тимчасово. Це один з найяскравіших прикладів великого міжнародного співробітництва в світі. Як повідомив на спеціальній конференції для групи українських журналістів професор Крістоф Шефер, наймолодшому учаснику програми 20, а самому зрілому вченому – 86 років! Серед цієї армади вчених є і українці: 35 вчених працюють в самому ЦЕРНі і 115 є асоційованими членами програми. Угода про міжнародну кооперацію з Україною була підписана ще в 1993 році, а в 2006 році Україна приєдналася до системи ГРІД.
Всі протони, прискорені в ЦЕРНі, отримані зі стандартного водню. Хоча протонні пучки дуже інтенсивні, тільки 2 нанограмма водню прискорюються кожен день. Отже, для прискорення частинок 1 грама водню Великому Адронному Колайдеру знадобиться близько 1 мільйона років.
CERNa діра
Скажу відверто: навіть після докладних роз’яснень, чітко зрозуміти, чим же насправді займаються десятки тисяч найсвітліших голів фізичної науки по всьому світу, мені не вдалося, не дивлячись на напружені розумові зусилля. Але дещо все ж прояснилося. Наприклад, шлях, по якому рухається сьогодні експериментальна фізика елементарних частинок. А також те, що подібні експерименти випереджають розуміння отриманої інформації навіть у висококваліфікованих учасників експерименту.
Мислителі від прогресивної фізики втягнуті в нескінченний, як сам Всесвіт, процес отримання та збору нових даних, а також аналізу того, що відбувається в надрах колайдера. Все це формує так звану “нову фізику”, яка намагається зв’язати воєдино всі процеси і закони матерії, відкрити нові “істинно елементарні” частинки, “пришити” гравітацію до Стандартної Моделі, розширити і поглибити уявлення про будову Всесвіту. А деякі відчайдушні навіть наполягають на перегляді всемогутньою Теорії відносності …
Наскільки це важливо для розвитку людства в його найближчому майбутньому? І чи варто це тих грошей, які вкладені в проект? Питання поки що спірне, і воно регулярно обговорюється на світових конференціях. Але саме цей проект дозволяє проводити експерименти, які раніше були неможливі.
І природно, найграндіозніший дослідний центр, навколо якого по спіралі розгортається колосальна наукова Всесвіт, як і належить Всесвіту, постійно розширюється. Так, “Чорну діру” в CERN поки не виявили. Але, без сумніву, експеримент здетонував появу не менше колосальної чорної діри, якою став … бюджет проекту.
Одне з завдань експериментів — розслідування таємницю антиматерії. Матерія та антиматерия повинні були вироблятися в однаковій кількості під час Великого вибуху, але з того, що ми спостерігали до цього часу, наш Всесвіт складається лише з матерії. Чому? Може, врешті відповідь знайдеться у надрах Колайдеру.
27 кілометрів явно мало для розгону (часток, природно). Тому кілька місяців тому було оголошено про початок будівництва нового тунелю довжиною в 100 км, який буде прокладений під уже існуючим тунелем, з попередніми бюджетом в 20 млрд євро. Згідно сміливим анонсам, “Майбутній циклічний коллайдер” (Future Circular Collider) планують побудувати до 2050 року, він буде майже вчетверо більше і в 10 разів могутніший за ВАК. Виявляється, що існуючий прискорювач прискорює частинки недостатньо добре – і ненаситні фізики розраховують відкрити нові елементарні частинки за допомогою великих потужностей нового прискорювача …
Поки ж результати фізичних експериментів спірні, недостатньо вивчені і не дають підстав для зведення нових струнких теорій, що пояснюють все. І найбільший в історії людства науковий експеримент триває. Але, без сумніву, інформаційний експеримент уже можна вважати успішним: завдяки йому фізика елементарних частинок скоро стане однією з найромантичніших професій нового покоління.
Оксана ШЕВЧЕНКО
Висловлюємо подяку Посольству Швейцарії в Україні за організацію поїздки.
