Didžiausias žmonijos istorijoje mokslo įrankis – Didysis hadronų greitintuvas (LHC) – po dvejus metus trukusios pertraukos netrukus vėl grįš į darbą. Ir jis pastiprintas tiek, kad padės mokslininkams peržengti fizikos Standartinio modelio ribas. Nuo pat 2013 metų kovo LHC išjungtas. Bet per tą laikotarpį judėjimo jame buvo kaip niekada daug: po žeme esančiame 27 km ilgio tunelio žiede knibždėjo daugybė mokslininkų ir inžinierių, o taip pat – žurnalistų ir fotografų. Bet dabar atnaujinimo darbai baigti, tunelis vėl pradėtas aušinti ir ruoštis naujai pradžiai ateinančiais metais.
Didžiausias žmonijos istorijoje mokslo įrankis – Didysis hadronų greitintuvas (LHC) – po dvejus metus trukusios pertraukos netrukus vėl grįš į darbą. Ir jis pastiprintas tiek, kad padės mokslininkams peržengti fizikos Standartinio modelio ribas.
Nuo pat 2013 metų kovo LHC išjungtas. Bet per tą laikotarpį judėjimo jame buvo kaip niekada daug: po žeme esančiame 27 km ilgio tunelio žiede knibždėjo daugybė mokslininkų ir inžinierių, o taip pat – žurnalistų ir fotografų. Bet dabar atnaujinimo darbai baigti, tunelis vėl pradėtas aušinti ir ruoštis naujai pradžiai ateinančiais metais – tada LHC tuneliu pradės suktis priešingų krypčių protonų srautai ir tikimasi, kad jie pasieks energiją, artimą 7 trilijonams elektronvoltų (ReV) kiekvienam srautui. Iki atnaujinimo greitintuvas sugebėdavo „išspausti“ beveik perpus mažesnę energiją. O dabar kiekviename sraute energijos bus tiek, kiek visu greičiu lekiančiame krovininiame traukinyje, rašo nature.com.
Greitintuve dirbantys mokslininkai žino – ir avarijų čia gali įvykti ne mažiau katastrofiškų, nei susidūrus traukiniams. 2008 metų rugsėjį buvo pabandyta paleisti 5 mlrd. JAV dolerių vertės greitintuvą visa galia, o rezultatas buvo labai liūdnas – dėl techninių problemų tunelyje išsiliejo skystas helis, naudojamas aušinimui, o jo garų sprogstamoji galia apgadino net 50 greitintuvo superlaidžių magnetų ir jų tvirtinimo elementų bei užteršė vamzdį, kuriame turi būti vakuumas. Remontas truko beveik metus ir kainavo dešimtis milijonų JAV dolerių.
„Nuo to laiko labai gerai su šiuo aparatu susipažinome“, – sakė CERN srautų padalinio veiklos vadovas Mike'as Lamontas. Inžinieriai sėkmingai užlopė skyles, ištiesino tai, kas buvo sulankstyta ir vėl paleido greitintuvą 2009 metų gale. Tiesa, tik puse numatytos maksimalios galios, kad ir vėl neištiktų tokia pati bėda. Bet ir to pakako, kad dalelių priešpriešinių srautų susidūrimai pateiktų įtikinamų įrodymų, jog atrastas Higgso bozonas – paskutinioji iš prognozuotųjų dalelių 40 metų senumo fizikos Standartiniame modelyje, nusakančiame visų dalelių ir jėgų elgesį bei sąveikas. Išskyrus gravitaciją.
Bet nors mokslo pasaulis suošė iš džiaugsmo 2012 metų liepą, kai buvo paskelbta apie Higgso bozono atradimą ir dar kartą 2013 metų spalį, kai buvo paskelbta, kad fizikai teoretikai, pirmieji sugalvoję, kad turėtų egzistuoti tokia dalelė, nusipelnė Nobelio premijos, su LHC dirbančių fizikų darbas dar toli gražu nesibaigė. Ar Higgso bozonas yra vienintelis ir unikalus, kaip kad prognozuoja teorijos, ar tik lengviausias visos šeimos narys? Jei yra ir daugiau, sunkesnių, Higgso bozonų, tai juos galima būtų aptikti vykdant didesnės energijos susidūrimus. O galbūt didesnės energijos susidūrimuose mokslininkai galės įžiūrėti ir kitokių, visiškai egzotinių dalelių, kurios Standartiniame modelyje apskritai neaprašytos?
Fizikai teoretikai apie tokias daleles svarsto jau ne vieną dešimtmetį. Ir nors Standartiniame modelyje joms vietos nėra, galimybes išplečia Supersimetrijos teorija, pasiūlyta praėjusio amžiaus aštunto dešimtmečio pradžioje. Ji tikina, kad kiekviena dalelė turi savo sunkesnį supersimetrinį atitikmenį, kuris nuo „originalo“ skiriasi prognozuojamai. Viena ar daugiau iš tokių supersimetrinių dalelių gali pasirodyti esančios tamsiosios medžiagos elementais – tamsioji medžiaga yra ūkas, pakankamai sunkus, kad lemtų galaktikų judėjimą, tačiau kol kas praktiškai neužfiksuotas jokiais mums žinomais instrumentais. Ir neaprašytas Standartiniame modelyje. Ir būtent tokių egzotiškų dalelių (jei jos nėra per sunkios) paieška bus patobulinto LHC nauja užduotis. O visai gali būti, kad greitintuvas pateiks ir dar egzotiškesnių rezultatų – pavyzdžiui, įrodymų, kad egzistuoja ir daugiau erdvės matmenų, ne vien tie trys, kuriuos puikiai pažįstame. Bet visų pirma mokslininkams ir inžinieriams reikės paleisti greitintuvą pilnu pajėgumu.
Norint patekti į greitintuvo tunelį tenka liftu leistis 100 metrų po žeme. Iš lifto patektumėte į tarnybinius koridorius, o iš ten netrukus pasiektumėte ir greitintuvo tunelį, kuriame sustatyti milžiniški ryškiai mėlynai nudažyti cilindriniai magnetai.
Net ir po 25 metų darbo CERN M. Lamontas negali nesižavėti šio aparato galia ir sudėtingumu. Tunelyje viskas ūžia ir burzgia. 15 metrų ilgio ir 35 tonų svorio magnetai virš pagrindo betono iškelti galingais kėlikliais ir pagal sunkiai suprantamą schemą apraizgyti laideliais bei vamzdžiais. O magneto centre – sandarus greitintuvo vamzdis. Norint apsisaugoti nuo 2008 metų katastrofos pasikartojimo visur prikaišiota jutiklių ir priraizgyti keli papildomi tūkstančiai kilometrų laidų – tai yra sistema, kuri įspėtų net apie mažiausius įtampos šuolius greitintuve. Po nelaimės pakeisti arba sutvirtinti 10 000 superlaidžių jungiamųjų elementų – šį darbą 250 žmonių dirbo daugiau nei metus.
Jau nuo šio birželio pradėtas magnetų aušinimas iki jų darbinės temperatūros – 1,9 laipsnio virš absoliutaus nulio. Arba iki mažiau nei -271 ºC. Tik tokiame spengiančiame šaltyje magnetinius laukus generuojantys laidai tampa superlaidžiais. O kad procesas būtų valdomas, LHC žiedas yra padalintas į aštuonis segmentus, kuriuos galima aušinti nepriklausomai. Magnetus atšaldžius – kiekvienam segmentui tai trunka du mėnesius – mokslininkai atliks elektros sistemų bandymus, norėdami įsitikinti, kad greitintuvas galės veikti maksimalia energija. M. Lamontas jau dabar žino, kad ne viskas bus rožėmis klota. Yra magnetų, kurie puikiai veikė bandymų virš žemės paviršiaus metu, tačiau kažkodėl paspringsta, arba praranda savo superlaidumą kai pasiekia magnetinio lauko ekvivalentą, atitinkantį 6,5 TeV srauto energiją. Bet tai – ne baisi tragedija. Magnetus galima pataisyti kelis kartus pakartojant „paspringimo“ procesą, kol jie stabilizuosis ir pradės veikti taip, kaip turėtų. Nors tai užtruks. „Ir tų velnių yra šimtai“, – burba inžinierius.
Kad ir kiek tai betruktų, ateis laikas, kai protonų srautai vėl beveik šviesos greičiu skries požemiu tarp Prancūzijos ir Šveicarijos – prognozuojama, kad tai nutiks jau 2015 metų kovą. O po dar kelių savaičių bandymų fizikai pradės atsargiai nukreipinėti priešpriešinius srautus vieną į kitą ir tikrins, ar saugu jutikliais rinkti tų susidūrimų duomenis.
Tunelyje tvyro nestiprus degėsių kvapas. M. Lamontas aiškina, kad taip yra dėl to, jog vakuumo vamzdis kaitinamas norint iš jo išsiurbti pavienes molekules. Priėjęs prie vietos, kur vakuumo vamzdis neria į milžinišką vario bei plieno sieną – kitoje jos pusėje yra vienas iš keturių pagrindinių LHC jutiklių ATLAS – M. Lamontas nusistebi: „Vis pagalvoju, Jėzau, jie leidžia mums nukreipinėti dalelių srautus į čia? Vis dar negaliu patikėti, kad man moka pinigus už tai kad mes čia taip linksminamės“.
Už maždaug 8,5 kilometrų nuo ATLAS, priešingoje LHC žiedo pusėje, Tiziano Camporesi stovi įsmeigęs akis į CMS jutiklį ir žavisi fizikų, jį suprojektavusių dar prieš 30 metų, genialumu. „Jie tikriausiai buvo bepročiai“, - sako T. Camporesi. Daug žmonių aiškino, kad šis aparatas – milžiniškas cilindras su koncentriniais dalelių jutikliais iš silicio, superlaidžiais magnetais ir milžiniškais geležiniais skydais, išlaikančiais magnetinį lauką – bus per daug sudėtingas, kad veiktų. Bet jis veikė. Ir, pasak T. Camporesi, „kur kas geriau, nei patys kada nors tikėjomės“. Būtent CMS ir ATLAS jutikliais 2012 metais užfiksuotas neabejotinas Higgso bozono signalas.
T. Camporesi, kuris šiemet buvo išrinktas daugiau nei 3800 žmonių dydžio CMS komandos atstovu spaudai, dabar koordinuoja ateinančių metų didelės energijos bandymų veiksmus. Jo komanda, kaip ir kitos LHC dirbančios komandos (be CMS ir ATLAS greitintuve yra ir labiau specializuoti ALICE bei LHCb jutikliai su savo kolektyvais) per tą laiką, kol greitintuvas buvo išjungtas, plušėjo remontuodami ir tobulinami savo darbo instrumentus. Po pirminių patikrinimų gauta puiki naujiena: centriniame jutiklio regione, kur susiduria spinduliai ir į šalis išsitaško dalelės, jautrios silicio plokštelės kol kas išliko be radiacinio pažeidimo. Bet CMS fizikams reikėjo pakeisti kelis šlubavusius fotodaugintuvo vamzdžius, dėl kurių buvo gaunami neteisingi rezultatai – atrodė, tarsi mokslininkai matė naujų egzotiškų dalelių, kai iš tiesų nieko egzotiško susidūrimo metu neišsiskirdavo.
T. Camporesi labiausiai didžiuojasi tuo, kad į į abu CMS galus įstatytos keturios disko formos kameros, padidinsiančios jutiklio gebėjimą registruoti muonais vadinamas daleles. Šis patobulinimas pagerins jutiklio „trigerį“ - elektronikos ir programinės įrangos komplektą, kuris registruoja daleles, kiekvieno srautų susidūrimo akimirką atsimušančias į jutiklį ir ieško nuokrypių, kuriuos būtų verta tyrinėti įdėmiau. Fizikai tokiu trigerius naudoja jau kelias dešimtis metų, sako T. Camporesi. O iš naujo paleidus LHC jame protonų srautai ne tik lakstys gerokai energingiau, bet ir bus padidintas protonų, esančių kiekviename sraute, kiekis. Dėl to CMS jutiklyje vyks iki 2 mlrd. susidūrimų per sekundę. Kol vieno susidūrimo dalelės pateks ant jutiklio plokštelių, dar 50 susidūrimų įvyks už plokštelių. O trigeris turės nuspręsti, kurių susidūrimų duomenys yra tinkami tolimesnei analizei – planuojama iš tų 2 milijardų atrinkti „tik“ po kelis šimtus susidūrimų per sekundę. „Dabar tai atima visą mūsų laiką“, – sako T. Camporesi.
Bėda su duomenimis
Paleidus atnaujintą LHC, neapdoroti duomenys iš CMS ir kitų jutiklių optiniais laidais užplūs CERN laboratorijos skaičiavimo centrą – milžinišką belangį kambarį, kuriame prikrauta įrangos su maždaug 100 000 procesorių, o aušintuvų keliamas triukšmas yra sunkiai pakenčiamas.
Procesoriai analizuoja duomenis taikant algoritmus, kurie identifikuoja kiekvienos po susidūrimo išlėkusios dalelės tapatybę, energiją ir kryptį. Analizės rezultatai įrašomi į magnetinę juostelę – senamadišką terpę kuri prieš šiuolaikines skaitmenines laikmenas turi du svarbius privalumus: taip pigiau ir saugiau duomenims.
Bet vien iš informacijos saugojimo CERN laboratorijoje mokslininkams jokios naudos nebūtų – jie, genami nepasotinamo smalsumo žinioms, visą savo laiką skiria tūkstančių programinio kodo eilučių rašymui – šis kodas milijonų susidūrimų duomenyse ieško neįprastų signalų. Duomenų analizei mokslininkai sukūrė Pasaulinį skaičiavimo tinklą (Worldwide Computing Grid), kuriame centrinis kompiuteris kopijuoja duomenis į 13 „pirmo lygio“ kompiuterių centrų, išsidėsčiusių skirtingose pasaulio vietose. O šie centrai savo ruožtu sujungti su daugiau nei 150 mažesnių kompiuterių klasterių – „antro lygio“ mazgais, kurių dauguma yra universitetuose.
Tiesa, galutiniai duomenų naudotojai apie visas šias operacijas nelabai ką ir težino. Fizikams tereikia įrašyti programą į tinklą, nurodant kurie susidūrimai juos domina. O tuomet tinklo programinė įranga automatiškai perduoda šį darbą centrui, turinčiam pakankamai skaičiuojamosios galios ir vietos duomenims, paleidžia programą ir fizikui grąžina pagal jo pageidavimą apdorotus duomenis.
Tą dieną, kai greitintuvo laboratorijose lankėsi „Nature“ žurnalistai, jame vienu metu veikė 10 500 programų. O tinklo apkrova buvo tik 6 procentai. Jei ne šis tinklas, mokslininkai veikiausiai iki šios dienos aiškintųsi, ar Higgso bozonas egzistuoja, ar ne.
Nepaisant, atrodytų, milžiniškų skaičiavimo centro pajėgumų, nauja LHC galia jam gali mesti rimtą iššūkį. Iki šiol greitintuvo veikimo metu, net trigeriams atmetus didžiąją dalį nereikalingų rezultatų, į centro informacijos saugyklas buvo perduodama net 15 petabaitų informacijos per metus – daugiau, nei per tą patį laiką visi pasaulio vartotojai prikrauna vaizdo įrašų į „Youtube“ svetainę. Kitais metais vėl pradėjus veikti greitintuvui susidūrimų dažnis padvigubės, taigi, ir duomenų kaupimo greitis padidės iki maždaug 30 petabaitų per metus. Arba maždaug 1 gigabaito per sekundę.
Tiesa, skaičiavimo tinklo koordinatorius Jungtinėje Karalystėje, Kembridžo universiteto fizikas Jeremy Colesas įsitikinęs, kad kompiuteriai susitvarkys ir su padidėjusiu duomenų srautu. Iš dalies – dėl to, kad smarkiai patobulėjo skirtingų kompiuterių centrų integracija. „Per pastaruosius 10 metų duomenų perdavimas labai pagreitėjo. Labiau nei tikėjomės.“ Pavyzdžiui, per praėjusius metus CERN savo duomenų centrą, pasiekusį galimybių ribą, dviem šviesolaidžiais, duomenis perduodančiais 100 Gbps sparta, sujungė su panašiu centru Budapešte (Vengrija). Pasak J. Coleso, sistema veikia taip, tarsi Budapešto kompiuteriai būtų gretimoje patalpoje.
Bet 30 petabaitų per metus – toli gražu ne riba. Dėl planuojamų LHC patobulinimų iki 2020 metų pradžios šis srautas turėtų išaugti iki 110 petabaitų per metus, o po kurio laiko ketinama pasiekti ir viršutinę numatomą duomenų generavimo ribą – 400 petabaitų per metus. „Kol kas tiek apdoroti neįstengtume“, – sakė J. Colesas.
Susirūpinimą fizikams kelia tai, jog procesorių sparta, iki šiol augusi milžinišku greičiu, dabar auga konservatyviau. Dabar geriausi prieinami procesoriai yra su 2, 4 ar 8 branduoliais, o ateityje tų branduolių tikriausiai bus ir daugiau. Tik kad LHC duomenų apdorojimo kodas paruoštas darbui su vienu procesoriumi vienu metu. Norint vykdyti procesu lygiagrečiai tektų perrašyti 15 mln. eilučių kodo, kurį daugelį metų rašė tūkstančiai žmonių.
Bet CERN fizikai susidūrę su kliūtimis nesustoja. Praėjusio amžiaus devinto dešimtmečio pradžioje jie susidūrė su poreikiu greičiau dalintis informacija – todėl buvo sukurtas pasaulinis tinklas (World Wide Web, WWW). Kai prireikė naudotis ir toli esančių kompiuterių ištekliais, buvo sukurtas Pasaulinis skaičiavimo tinklas. Jei reikės, bus sukurtas būdas ir kitoms problemoms išspręsti.
