Научный взгляд на устройство вселенной

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 293
ния гарантируют, что будут обнаружены даже не взаимодейство-
вавшие или очень слабо взаимодействовавшие частицы. Если 
наблюдается «недостающий» поперечный импульс, это означает, 
что при столкновении должна была образоваться одна или не-
сколько частиц, не вступающих в непосредственно обнаружимые 
взаимодействия. Подобные частицы обладают импульсом, и им-
пульс, который они уносят с собой, сообщает экспериментаторам 
об их существовании.
Мюонные 
камеры
Тороидальные 
магниты
Соленоидный 
магнит
Полупроводниковый 
трекер
Трекер переходного 
излучения
Пиксельный 
детектор
Электромагнитные 
калориметры 
на жидком аргоне
Торцевая система 
на жидком аргоне 
и передние калориметры
Калориметры 
на ячейках
44 м
25 м
РИС
. 39.
Компьютерное изображение детектора ATLAS. Показаны 
многочисленные слои и отдельно оконечные элементы. (Публику-
ется с разрешения CERN и ATLAS.)
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 виде-
ли, что детекторы очень точно измеряют импульс в перпендику-
лярной плоскости. Калориметры в передней и задней областях 
обеспечивают герметичность и гарантируют, что незамеченной 
может остаться лишь очень малая часть энергии или импульса, 
перпендикулярных пучку.

294 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
Установка CMS имеет в своих торцевых областях стальные по-
глотители и кварцевые нити, которые еще плотнее и потому луч-
ше разделяют направления движения частиц. Латунь в оконечных 
элементах — вторичное сырье; прежде она применялась в россий-
ских артиллерийских снарядах. В передней части установки ATLAS 
используются калориметры на жидком аргоне, способные реги-
стрировать не только электроны и фотоны, но и адроны.
МАГНИТЫ
В обоих детекторах осталось еще несколько компонентов, кото-
рых 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 прямы-
ми. Насколько сильно и в каком направлении они отклоняются, 
зависит от энергии и заряда каждой частицы.
Громадный соленоидный магнит CMS изготовлен на основе за-
мороженной сверхпроводящей ниобиево-титановой катушки дли-
ной 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 сердеч-
ник и при пропускании тока генерируют магнитное поле. По за-
ключенной 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 напряженно-
сти — 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 дру-

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 295
гой 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 пол-
ного семиметрового радиуса детектора. По существу, она тоже 
является частью мюонной системы — ведь по идее только мю-
оны 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 откло-
няет мюоны во внешнем детекторе. Поскольку степень отклонения 
мюона в магнитном поле зависит от его импульса, ярмо необходи-
мо 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 ги-
гантских сил, порожденных ее собственным магнитным полем.
Магнит детектора ATLAS сконфигурирован совершенно ина-
че. 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 фото-
графию ATLAS (или на саму установку), то самыми заметными 
элементами окажутся восемь громадных тороидальных структур 
(см. рис. 34) и два дополнительных тороида, прикрывающих кон-
цы цилиндра. Генерируемое ими магнитное поле тянется на 26 м 
вдоль оси пучка и на 11 м от начала мюонного спектрометра в ра-
диальном направлении.
При посещении ATLAS мне рассказывали, что в момент уста-
новки на место эти магниты были овальными (если смотреть 
сбоку). Инженеры учли фактор гравитации и верно рассчитали, 
что через некоторое время после установки тороиды под действи-
ем собственного веса станут более круглыми.
Сильное впечатление на меня произвела еще одна история. 
Оказывается, инженеры ATLAS учли крохотное поднятие пола тон-

296 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
неля примерно на 1 мм в год за счет гидростатического давления 
породы, связанного с образованием в ней полости. Они рассчита-
ли установку таким образом, чтобы это крохотное движение при-
вело ее в оптимальное положение в 2010 г., когда намечался пер-
вый 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 экс-
плуатации останется в правильном положении. Несмотря на сен-
тенцию бейсболиста и философа Йоги Берра о том, что «предска-
зывать 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 тре-
керы, калориметры, мюонные системы и магниты и которые мы 
только что обсудили, можно говорить о том, что для обработки 
ошеломляющего количества данных, порождаемого многочислен-
ными столкновениями, необходимы тщательно скоординирован-
ные и организованные вычисления, которые проводятся одновре-
менно по всему миру.
Тот факт, что БАК работает с в 7 раз более высокими энерги-
ями, чем тэватрон (прежний рекордсмен по энергии столкнове-
ний), — 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 ча-
стотой примерно до миллиарда столкновений в секунду, причем 
«картинка» каждого события содержит около мегабайта инфор-
мации.
С таким объемом данных не могла бы справиться ни одна вы-
числительная система. Поэтому специальные триггерные системы 
«на лету» принимают решения о том, какую информацию следу-
ет сохранить, а от какой можно избавиться. Разумеется, львиную 
долю составляют совершенно обычные столкновения протонов 

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 297
с участием сильного взаимодействия. Большая часть этих стол-
кновений никому не интересна, потому что они представля-
ют хорошо известные физические процессы и не дают ничего 
нового.
Столкновение протонов в каком-то смысле напоминает стол-
кновение двух мешочков с горохом. Эти мешочки мягкие, поэтому 
большую часть времени они мотаются из стороны в сторону, сжи-
маются и не делают во время столкновения ничего интересного. 
Но иногда при «стыковке» мешочков отдельные горошины стал-
киваются друг с другом лоб в лоб с огромной силой — иногда на-
столько большой, что мешочки лопаются. В этом случае отдельные 
столкнувшиеся горошины с силой разлетаются во все стороны, по-
тому что они твердые и энергия их столкновений более локализо-
вана, 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 ин-
тересное 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 про-
ходит иначе. Их составные части — кварки, антикварки и глю-
оны — сталкиваются между собой; при этом первоначальные ча-
стицы могут превратиться в энергию или породить другие типы 
вещества. И если на более низких энергиях в столкновениях при-
нимают участие в первую очередь три валентных кварка, несущие 
на себе заряд протона, то на более высоких энергиях виртуаль-
ные 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 про-
тона, а составляет, как правило, лишь небольшую ее долю. Поэто-
му чаще всего в столкновениях кварков и глюонов задействуется 

298 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
слишком малая часть энергии протона, и тяжелые частицы не рож-
даются. Возможно, из-за невысокой силы взаимодействия или не-
достаточной 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 обыч-
ные 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 столкнове-
ние 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 интерес-
ные события происходят лишь в короткие удачные промежутки 
времени. Теперь ясно, почему нам нужно так много столкнове-
ний 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 мас-
сы — задача триггеров; триггерами называют аппаратные и про-
граммные средства, специально предназначенные для распозна-
вания таких событий. Чтобы хотя бы приблизительно осознать тя-
жесть 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 проис-
ходит 20–25 событий, и получим результат — около миллиарда 
физических событий в секунду. Триггер — аналог механизма, ко-
торый будет оставлять для вас лишь интересные и удачные сним-
ки. Триггеры можно сравнить также с антиспамовыми фильтрами. 
Их задача — сделать так, чтобы на компьютеры экспериментато-
ров попадали только интересные данные.
Триггеры должны распознать потенциально интересные стол-
кновения и отбросить те, которые не несут никакой новой инфор-

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 299
мации. Сами события — то, что покидает зону взаимодействия 
и регистрируется детекторами — должны отличаться от обычных 
процессов Стандартной модели. Чтобы выделить и сохранить ин-
тересные 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 программ-
ных фильтров. Каждый триггер из последовательной цепочки 
отвергает большую часть поступающих на него событий как не-
интересные, оставляя лишь небольшую их часть, справиться с ко-
торой уже намного легче. Эти данные, в свою очередь, анализиру-
ются компьютерными системами в 160 академических институтах 
по всему миру.
Триггер первого уровня — это встроенное в детекторы ап-
паратное устройство, на которое ложится львиная доля работы 
по распознаванию характерных признаков потенциально интерес-
ного события; он отбирает, к примеру, все события, в результате 
которых рождаются энергичные мюоны или в калориметрах вы-
деляется заметная энергия в поперечном направлении. Несколько 
микросекунд до срабатывания первого триггера вся полученная 
от столкновения сгустков энергия хранится в буфере. Триггеры бо-
лее высоких уровней представляют собой специальные програм-
мы; алгоритмы отбора действуют на большом компьютерном кла-
стере, расположенном рядом с соответствующим детектором. Триг-
гер первого уровня снижает число событий примерно в 10 000 раз: 
из миллиарда событий в секунду остается около 100 000. Про-
граммные триггеры снижают это количество еще примерно в ты-
сячу раз, оставляя всего лишь несколько сотен потенциально ин-
тересных событий.
Каждое событие, проходящее через фильтр триггера, несет 
в себе громадное количество данных — те самые показания детек-
торных элементов, о которых мы говорили; на одно событие при-
ходится больше мегабайта информации. При нескольких сотнях 
потенциально интересных событий в секунду экспериментальная 

300 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
установка каждую секунду занимает более 100 Мбайт дисково-
го пространства; в год набирается более одного петабайта — 
10
15
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 гро-
мадных объемах данных CERN и о том, что экспериментаторы 
всего мира должны обмениваться информацией в реальном вре-
мени. Вычислительная грид-система проекта БАКа — следующий 
серьезный шаг Центра на пути организации научных вычисле-
ний. Эта «решетка», запущенная в конце 2008 г. после разработ-
ки 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 оптоволокон-
ные кабели, так и высокоскоростные участки общедоступного Ин-
тернета. 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 электро-
снабжение большого города не привязано к одной конкретной 
электростанции.
Информация о событиях, прошедших через триггерные филь-
тры, 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 записан-
ной 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 уров-
ням, или ярусам. Нулевой уровень — это вычислительный центр 
CERN, где данные записываются и преобразуются из первоначаль-
ной формы в другую, более подходящую для физического анализа. 
Далее информация расходится по каналам с высокой пропускной 
способностью в десятки крупных национальных вычислительных 

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 301
центров, составляющих уровень 1. Аналитические группы при же-
лании могут получить доступ к этим данным. При помощи оптико-
волоконных кабелей уровень 1 соединяется примерно с пятьюде-
сятью 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 извлека-
ется б
о
льшая часть реальной физической информации. На этом 
этапе экспериментаторы в любой точке земного шара могут тща-
тельнейшим образом перерыть все данные и выяснить, не рас-
скажут 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.

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: